Обработка поверхностей деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

обработка поверхностей деталей шлифованием

шлифование деталь цилиндрический локальный

Шлифование - это процесс резания металлов при помощи абразивного инструмента, режущими элементами которого являются зерна абразивных материалов.

Шлифованию подвергаются наружные и внутренние цилиндрические поверхности деталей, зубья колес, фасонные поверхности деталей.

Шлифование наружных цилиндрических поверхностей деталей при установке их в центрах (круглое шлифование) осуществляется в результате вращения шлифовального круга и обрабатываемого изделия и их взаимного поступательного перемещения.

Существуют четыре схемы этого вида шлифования:

1) на проход (способ продольной подачи иди способ периодической поперечной подачи);

2) глубинный способ;

З) врезанием (способ непрерывной поперечной подачи);

4) уступами.

Во всех случаях круг и деталь имеют вращательное движение, причем скорость круга значительно превышает скорость детали.

При шлифовании на проход (рис. 1) изделие 2 или круг 1 получают поступательное движение из положения I в положение II и обратно (продольная подача S_пр). В начале каждого такого прохода, т.е. в положениях I и II или в начале двойного прохода, т.е. в положении I круг врезается в изделие на определенную глубину, равную поперечной подаче S_поп. В конце операции, когда круг врезался на полную величину припуска, делается несколько проходов без поперечной подачи для исправления формы детали, искаженной в результате ее отжатия при шлифовании, и других погрешностей (выхаживание).

Глубинным способом (рис. 2) снимают почти весь припуск за один проход с малой подачей Предварительно на круге правкой алмазным (или специальным твердосплавным) инструментом образуют режущую зону в виде скоса I или уступа II. Остаток припуска снимают способом продольной подачи за 2-З прохода.

Рис. 1. Схема круглого шлифования детали на проход:

1 - шлифовальный круг; 2 - деталь

Рис.2. Схема круглого шлифования детали глубинным способом

При шлифовании врезанием (рис. 108) высота круга должна быть близка к длине шлифуемой поверхности. Снятие припуска производится путем непрерывной поперечной подачи круга. Для улучшения качества поверхности кругу сообщаются колебательные осевые движения с ходом 2-5 мм. Это также делает износ круга более равномерным.

Рис. 3. Схема круглого шлифования детали способом врезания

Шлифование уступами (рис. 4) состоит в следующем. Вначале обрабатывают отдельные участки (уступы) поверхности по всей длине детали. Уступы перекрывают друг друга на 5-10 мм (положение 1,2 ...). Остаток припуска снимают способом продольной подачи.

Рис. 4. Схема круглого шлифования детали уступами

Способ продольной подачи применяется при шлифовании длинных гладких поверхностей деталей без заплечиков, буртиков и т.п. При этом желательно применение автоматической продольной подачи. При шлифовании поверхностей деталей с заплечиками и ступенчатых деталей лучше применять глубинное шлифование путем вращения круга около заплечика и последующего продольного хода к свободному концу поверхности. При шлифовании деталей с короткими уступами лучше применять способ врезания, так как он обеспечивает большую производительность по сравнению со способом продольной подачи. Шлифование уступами также является более производительным и применяется при обработке поверхностей, длина которых в несколько раз больше высоты круга.

Рассмотренные виды шлифования наружных цилиндрических поверхностей деталей выполняются на круглошлифовальных станках.

Внутреннее шлифование применяется обычно для обработки точных отверстий в закаленных деталях или в деталях из труднообрабатываемых материалов, для обработки точных отверстий с пересеченной поверхностью (шпоночные пазы, выточки и т.п.), для обработки глухих и ступенчатых отверстий, а также для обработки всех отверстий по 5-6 квалитетам точности. Шлифование отверстий производится на внутришлифовальных станках по двум схемам резания: обыкновенной (рис. 5) и планетарной (рис. 6).

Рис. 5. Схема обыкновенного внутреннего цилиндрического шлифования

Рис. 6. Схема планетарного внутреннего цилиндрического шлифования

Обычно шлифовальный круг вращается вокруг своей оси и имеет продольную и поперечную подачи, а деталь, закрепленная в патроне, вращается вокруг своей оси (рис. 5). При планетарной схеме резания круг вращается вокруг своей оси, вокруг оси детали и имеет движение подачи (рис. 6). При этом деталь остается неподвижной. Такая схема шлифования применяется преимущественно при обработке тяжелых и крупных деталей.

Одним из основных достоинств внутреннего шлифования является возможность исправления увода оси отверстия, образовавшегося на предыдущих операциях . На практике возможно одновременно с отверстием шлифовать вторым кругом торец детали, что дает высокую производительность. Однако применение внутреннего шлифования имеет ряд ограничений. Прежде всего, диаметр шлифовального круга зависит от диаметра обрабатываемого отверстия. Отношение диаметра круга d_к к диаметру обрабатываемого отверстия d_о колеблется в пределах от 0,95 при d_о<30 мм до 0,65 при d_о = 200…250 мм. Поэтому повышать скорость резания за счет диаметра круга нельзя, необходимо увеличивать число оборотов шпинделя круга. Предельная скорость круга для отверстий диаметром 40..100 мм V_кр = 35м/с.

Шпиндель круга по своим размерам и форме не всегда может быть достаточно жесткой конструкцией, а это также ограничивает применение производительных режимов при внутреннем шлифовании деталей.

Чаше всего внутреннее шлифование ведется по методу продольных подач с использованием автоматической подачи станка. Врезное шлифование применяется при обработке поверхностей или фасонных (ступенчатых) отверстий.

Высокопроизводительным способом шлифования длинных бесступенчатых валов, осей, гильз и других подобных деталей является бесцентровое шлифование. Существуют бесцентрово-шлифовальные станки для обработки наружных и внутренних цилиндрических поверхностей.

При бесцентровом шлифовании наружных поверхностей деталь 2 (рис. 7, а), опираясь на нож 3, располагается между шлифующим кругом 1 и ведущим кругом 4. Круги вращаются в одну сторону. При обработке внутренних поверхностей деталь 2 (рис. 7, б), находясь в контакте с поддерживающим роликом 5, прижимным 6 и ведущим роликом 7, обрабатывается шлифовальным кругом 1. Круг и ведущий ролик вращаются в разные стороны. Скорость вращения ведущего круга или ролика в 60...100 раз меньше скорости шлифующего круга. В связи со значительной разницей в скоростях сила трения между деталью и ведущим кругом или роликом, за счет которой происходит вращение детали, больше, чем между деталью и шлифующим кругом. Увеличивается эта сила также и за счет выбора материала круга (например, вулканитовая связка) или ролика (чугун, алюминий) с возможно высоким коэффициентом трения. Скорость вращения детали близка к скорости ведущего органа. За счет разности скоростей детали и шлифующего круга производится обработка детали.

Обработка плоских поверхностей детали производится на плоскошлифовальных станках, которые разделяют на две группы: станки для работы периферией круга и станки для работы торцом круга. Движение стола у станков также может быть неодинаковым, имеются станки как с вращательным, так и с возвратно-поступательным движением. Отсюда существуют различные схемы обработки плоских поверхностей деталей.

а б

Рис. 7. Схема бесцентрового шлифования наружных (а) и внутренних (б) поверхностей деталей: 1 - шлифующий круг;

2 - обрабатываемая деталь; 3 - нож; 4 - ведущий круг;

5 - поддерживающий ролик; 7 - ведущий ролик

На рис. 8, а показана схема резания периферией круга с возвратно-поступательным движением стола станка. При такой схеме круг вращается с частотой п_кр об/мин, происходит перемещение стола с подачей S_пр, кругу сообщается поперечная подача S_поп и подача на глубину резания t. При торцевом шлифовании плоскостей деталей на станках с возвратно-поступательным движением стола (рис. 8, б) стол с закрепленной на нем деталью выполняет продольную подачу S_пр, круг вращается с частотой п_кр об/мин и имеет во всех случаях подачу на глубину резания. Поперечная подача S_поп на малых станках отсутствует, так как диаметр круга больше ширины детали, а на крупных - осуществляется шлифовальным кругом.

Для снижения температуры в зоне резания, удаления с поверхности детали абразивных частиц и металлической стружки, а также для охлаждения пыли и догорающих частиц стружки при шлифовании деталей используют СОЖ. Наиболее распространенный способ охлаждения заключается в подаче СОЖ в зону резания в виде свободно падающей струи под небольшим давлением. При шлифовании деталей используются жидкости с малой вязкостью, высокой теплоемкостью и хорошими антикоррозийными свойствами. К таким жидкостям относятся суспензии различной концентрации на основе воды с эмульсолом (например, Урикнол 1) и другими веществами. Эффективность СОЖ может быть повышена путем её активации. Для этого применяется магнитная активация, кавитация, поверхностно активные вещества.

Рис. 8. Схемы плоского шлифования периферией (а) и торцом (б) круга

На рис. 114 представлен типаж абразивного шлифовального инструмента, используемого для осуществления различных видов шлифования деталей. Плоскими шлифовальными кругами прямого профиля (рис. 114, а) обрабатывают наружные цилиндрические поверхности валов и других деталей; плоскими прямого профиля с выточкой (рис. 9, б) - наружные цилиндрические поверхности с одновременной подшлифовкой торца смежной шейки вала. Дисковыми кругами (рис. 9, в) выполняют резку металла, отрезку литников и другие отрезные работы. Тарельчатые и чашечные круги (рис. 9, в, г) применяют при заточке металлорежущего инструмента, тарельчатыми кругами выполняют зубошлифование. Цилиндрические головки (рис. 9, д) применяют для шлифования отверстий малого диаметра, а хонинговальные бруски (рис. 9, е) - для специального вида тонкой обработки поверхности отверстий - хонингования. Существуют и другие типажи абразивного инструмента.

а б в г д е

Рис. 9. Типах абразивного инструмента

Инструмент из дорогостоящих абразивных материалов - синтетических алмазов и кубического нитрида бора имеет тот же типаж, но делается сборным - к металлическому корпусу приклеивается алмазоносный слой. Шлифовальный инструмент выполняется с отверстием под оправку для закрепления на шпинделе станка. Шлифовальные головки крепятся за хвостовик, бруски хонинговальные вставляются в пазы инструмента-хона.

Особую значимость в машиностроении имеет зубошлифование, которое также, как и нарезание зубчатых колес, может выполняться двумя методами - обкаткой и копированием. Обкатка основана на использовании относительного движения рейки и зубчатого колеса (рис. 10, а, б) или червяка и зубчатого колеса (червячного зубчатого колеса), как это показано на рис. 10, в. При шлифовании по методу копирования (рис. 10, г) дисковый шлифовальный круг правят алмазным карандашом так, чтобы его профиль в радиальном сечении соответствовал профилю впадины зубчатого колеса. Во всех схемах главное движение резания осуществляет шлифовальный круг. На станках, реализующих схемы резания по рис. 10, а, б, движение подачи по длине зуба (возвратно-поступательное движение производит шлифовальный круг; движение подачи для образования эвольвенты, слагающееся из взаимосвязанных вращательного, и поступательного продольного движений - заготовка.

а б в

Рис. 10. Схемы зубошлифования

При шлифовании профиля зуба червяком заготовка осуществляет вращательное и вертикальное возвратно-поступательное движение. При шлифовании по методу копирования обработка выполняется отдельно по каждой впадине между зубьями с периодическим поворотом заготовки на величину углового шага зубьев. Круг осуществляет периодическую поперечную подачу, после выполнения возвратно-поступательного движения подачи по длине зуба заготовкой.

Отделочно-упрочняющая обработка поверхностей деталей машин

Методы обработки пластическим деформированием (ПД) характеризуются деформирующим воздействием рабочей части инструмента (или деформирующего тела, частицы и т.д.) на обрабатываемую поверхность (или обрабатываемый материал). В отличие от методов обработки, связанных с разрушением и удалением материала (процессы резания, микрорезания, шлифования), которые сопровождаются существенным изменением размерных параметров. При обработке ПД имеет место незначительное перемещение материала в виде смятия микронеровностей или деформирования слоя материала относительно небольшой толщины, без существенного изменения размерных параметров. Тем не менее, обработка сопровождается изменением геометрических, физико-механических свойств и микрогеометрии поверхности.

В настоящее время усилиями многих специалистов разработан большой арсенал методов обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД), специальных видов инструментов и оборудования, а большое многообразие поверхностей, подлежащих обработке, определило соответственно и многообразие технологических схем процесса и конструкций инструментов и оборудования.

По технологическому назначению различают формообразующие, отделочные и упрочняющие методы обработки ППД. Формообразующая обработка характеризуется охватом достаточно большого (или всего) объема материала заготовки пластической деформацией с целью изменения исходной формы и размеров. Отделочная обработка характеризуется деформацией лишь тонкого поверхностного слоя с целью сглаживания исходной шероховатости или создания заданного микрорельефа поверхности. При упрочняющей обработке ППД пластической деформации подвергается поверхностный слой с целью изменения его физико-механических свойств и структуры. Технологический эффект отделочной и упрочняющей обработок ППД зачастую достигается одновременно, а метод называется отделочно-упрочняющей обработкой ОУО.

ОУО поверхностей деталей обычно проводят после чистовой обработки: чистового точения или фрезерования, развертывания, протягивания, шлифования и т.д.

По характеру энергетического воздействия и кинематике процесса методы обработки ППД подразделяются на статические и динамические. В первом случае процесс протекает в условиях непрерывного контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью при постоянных, как правило, значениях деформирующей нагрузки (силы) обкатывание и раскатывание, выглаживание, дорновние и др.

На рис. 11 и 12 приведены типовые схемы осуществления процессов обкатки и раскатки поверхностей деталей машин, когда имеет место статическое воздействие деформирующей нагрузки. Во втором случае характерным является дискретное воздействие деформирующего инструмента (или среды) на обрабатываемую поверхность с изменяющимся усилием деформации от нуля до максимального значения - виброударная обработка, дробеструйный наклеп, ударная чеканка и др.

Рис. 11. Схема обкатки цилиндрической поверхности детали: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - передний центр станка; 3 - задний центр станка; 4 - резцедержатель; 5 - хомутик; 6 - упрочняющий ролик

Наиболее перспективными методами ОУО поверхностей деталей машин являются виброударные методы обработки, которые по характеру реализации подразделяются на методы обработки одно- или многоконтактным инструментом. Инструментом при виброударных методах обработки может служить гибкий (проволока) или жесткий стержень, связанный кинематически с ударником (чеканка, обработка пучком проволочных стержней и т.п.), или системы твердых тел (рабочая среда), помещенных в замкнутом объеме и подвергнутых виброударному воздействию. Большинство рассматриваемых методов ОУО относятся к категории многоконтактных.

Рис. 12. Схема раскатки внутренней поверхности втулки: 1 - патрон; 2 - обрабатываемая втулка; 3 - оправка; 4 - упрочняющий ролик

К основным методам виброударной обработки ППД одно- и многоконтактным инструментом относятся:

- виброударная обработка шариками или дробью;

- обработка шарико-стержневым упрочнителем (ШСУ); чеканка;

- виброконтактная обработка;

- клиновые упрочнители;

- вибрационная эксцентриковая обработка;

- вибрационная ударно-импульсная обработка.

Для передачи ударных импульсов могут использоваться различные виброударные устройства и системы: вибрирующие камеры и площадки, клиновые устройства, шарико-стержневые системы, специальные устройства с механическими прерывателями.

Одним из перспективных направлений по совершенствованию существующих и разработке новых технологических методов улучшения эксплуатационных свойств деталей в машиностроении является концепция, основанная на рассмотрении единства процессов обработки и эксплуатации деталей [9]. Практически все методы обработки заготовок основаны на механическом, физическом, химическом или их совместном воздействии на материалы при определенной кинематике перемещений. В то же время каждая изготовленная деталь имеет определенное функциональное назначение. Наряду с ее первоначальным позиционированием в сборочной единице, определяемым, например, точностью размеров, в процессе ее эксплуатации деталь испытывает новое механическое, физическое или химическое воздействие при определенной кинематике движений. Это приводит к изменению заданного взаимного положения собранных деталей, потере точности, а иногда и к разрушению машин. Все это говорит об идентичности процессов воздействия на деталь как при ее изготовлении, так и эксплуатации, а следовательно, указывает на необходимость целенаправленного воздействия на детали при обработке, исходя из их дальнейшего функционального назначения. Эта концепция подтверждается для поверхностей трения деталей, финишную обработку которых можно рассматривать как процесс приработки, обеспечивающий их равновесное состояние.

При эксплуатации отдельные участки одной и той же рабочей поверхности могут иметь различное механическое, физическое и химическое воздействие, что сказывается на их работоспособности (в частности, износостойкости). Это относится к цилиндрическим, сферическим и криволинейным поверхностям трения (подшипники скольжения, чашки дифференциала заднего моста автомобиля, кулачки распредвалов, рабочие поверхности зубьев и др.); к цилиндрам двигателей; к цилиндрическим и коническим подшипникам качения; к рабочим поверхностям катания железнодорожных рельсов и колес; к резьбовым соединениям; к рабочим поверхностям режущих и деформирующих инструментов и т.д. Причем большинство деталей машин, их соединений и инструментов работают при изменяющихся условиях эксплуатации (скорости, нагрузки, температуры). Рабочие поверхности трения таких деталей и инструментов должны быстро прирабатываться. Для повышения работоспособности таких деталей, соединений и инструментов необходимо при изготовлении обеспечить различные эксплуатационные показатели, а в большинстве случаев создать новые поверхностные слои, обладающие быстрой прирабатываемостью (или приспосабливаемостью к условиям эксплуатации). Все это ставит задачу целенаправленного системного совершенствования существующих и разработки новых локальных методов обработки деталей машин, исходя из их функционального назначения.

Совершенствование существующих методов обработки, как правило, происходит случайно, а иногда исходя из поставленной задачи. Так, придание дополнительного осциллирующего движения рабочему, шарику при накатывании позволило получить новый метод обработки - вибронакатывание. Пропускание тока через зону контакта рабочий ролик - заготовка при накатывании позволило открыть локальную электромеханическую обработку.

Сложность механической обработки резанием труднообрабатываемых материалов, а также необходимость повышения производительности труда привели к комбинированным методам обработки поверхностей деталей. Причем совершенствование существующих технологий обработки деталей зачастую происходит из необходимости повышения их долговечности. Так, цилиндрические и конические ролики подшипников качения для предотвращения их разрушения по краям необходимо обрабатывать с эксплуатационным распределением давлений вдоль образующей. Это позволяет обеспечить шлифование роликов бесконечной лентой. В результате такого шлифования ролики приобретают бочкообразную форму, которая в эксплуатации дает почти равномерное распределение давления вдоль образующей ролика. Правильный расчет условий обработки (ширина и натяжение ленты, радиальная сила) позволят получить форму ролика, обеспечивающую практически равномерное распределение давления вдоль образующей при его эксплуатации. Аналогично обстоит дело и с подшипниками скольжения. Только здесь неравномерность давления при эксплуатации будет как вдоль обрзующей, так и по дуге контакта. Избежать этого можно ОУО поверхности трения подшипника при закономерно-изменяющемся рабочем давлении.

Учитывая, что большинство деталей работают при постоянно изменяющихся режимах, поверхности должны обладать и быстрой прирабатываемостью. Это лучше обеспечивается, если поверхности имеют чередующиеся мягкие и твердые участки. Получить такую поверхность можно, если при электромеханической обработке детали току придать импульсный характер. Различные участки рабочих поверхностей зубьев наряду с тем, что они работают при различных условиях, еще должны обеспечивать совершенно разные эксплуатационные свойства. Так, у их основания должна обеспечиваться усталостная прочность, на участке делительной окружности - контактная прочность, у остальных участков боковой поверхности зуба - износостойкость. Особенно это характерно для силовых зубчатых передач. Совершенно очевидно, что принятые в настоящее время технологии обработки боковых поверхностей зубьев (фрезерование и шлифование) не могут обеспечить выполнение таких условий. Это может быть обеспечено целенаправленным изменением силового и температурного воздействия на обрабатываемую поверхность зуба, что реализуется через комбинированную обработку ППД и электромеханическую обработку, требующую целенаправленной разработки как инструмента, так и оборудования.

Цилиндры двигателей имеют наибольший износ в верхней части. Это, очевидно, объясняется повышенными температурами в этой части цилиндров при их эксплуатации, которые при недостаточной маслоемкости поверхности могут приводить к явлениям схватывания, особенно в начальный период приработки контактирующих поверхностей. Для избежания этого вредного явления на рабочих поверхностях цилиндров двигателей целесообразно сформировать вибронакатыванием маслоемкие карманы. При этом длина масляных карманов должна быть различной, что обеспечивается закономерно изменяющимися режимами обработки: частотой колебаний и силой рабочего шарика вибронакатного устройства.

В процессе эксплуатации железнодорожных рельсов их поперечный профиль в зависимости от участков дороги (повороты, подъемы, подложка, средние температуры и др.) в начальный период работы (в процессе приработки) претерпевает значительные изменения, т.е. происходит его естественная адаптация к условиям эксплуатации. Однако эксплуатационники железных дорог при ремонте рельсов стремятся вернуть им исходный поперечный профиль, что значительно удорожает ремонт и опять приводит к быстрому и большому их износу в период новой приработки. Все это в значительной мере сокращает долговечность железнодорожных рельсов. Учитывая эти обстоятельства, целесообразно при ремонте рельсов сохранять их сформировавшийся поперечный профиль, убирая при этом вредный дефектный поверхностный слой. Обеспечить это могут так называемые упругие технологии (иглофрезерование, лепестковое шлифование), которые также могут быть отнесены к видам локальной отделочно-упрочняющей обработки (ЛОУ-обработки). За счет упругих деформаций рабочих элементов инструмента (проволочки и лепестки) при определенном сохранении жесткости снимается поверхностный дефектный слой и сохраняется сформировавшийся поперечный профиль рельса. Это приводит к необходимости целенаправленной разработки инструмента с определенной упругостью его рабочих элементов. Одновременно на поворотных участках в результате большого силового и температурного воздействия на боковую поверхность головки рельса от реборды колеса происходит его быстрый износ (практически срезание), что приводит к необходимости быстрой замены рельса. Для избежания этого вредного явления характер воздействия сил и температур на боковые поверхности рельсов на этих участках дорог целесообразно учитывать уже при разработке технологии (с увеличением температурного и уменьшением силового воздействия). Это может обеспечить термомеханическая или электромеханическая обработка. Поверхность катания обода железнодорожного колеса (участки вдоль образующей) при эксплуатации работает при различных давлениях и температурах, а поэтому в процессе приработки изменяет свой оптимальный профиль. Во избежание этого поверхность катания обода колеса целесообразно обрабатывать электромеханически с закономерно изменяющейся силой тока.

Резьбовые соединения имеют различное функциональное назначение. Кроме этого, различные участки резьбовых соединений по их длине могут испытывать различные нагрузки от максимальных на первых нитках до нулевых на последних витках. Все это говорит о том, что технологию резьбовых соединений также требуется совершенствовать с учетом возможностей ЛОУ-обработки. Например, при эксплуатации различных двигателей из алюминиевых сплавов обнаружен процесс самоотвинчивания шпилек. Анализ показал, что это происходит из-за уменьшения первоначального натяга в резьбовом соединении шпилька - алюминиевый корпус в результате пластических деформаций резьбы корпуса при действии динамических нагрузок. Избежать этого вредного явления можно, если учесть пластические деформации уже при изготовлении корпуса, что можно обеспечить или раскатыванием резьбовых отверстий в корпусе, или созданием так называемых гладкорезьбовых соединений. Для раскатьивания резьб необходима целенаправленная разработка инструмента. Сущность гладкорезьбового соединения заключается в вворачивании шпилек в гладкие отверстия. Как в первом, так и во втором случаях в процессе формирования резьбы отверстия происходит пластическое насыщение материала, что предотвращает возможность ее пластических деформаций при эксплуатации.

При обработке внутренних резьб в алюминиево-кремнистых сплавах возникают значительные трудности обработки этих сплавов. Обработка этих сплавов резанием затруднена из-за вязких свойств материала, а пластическое деформирование - из-за его хрупкости. Все это привело к необходимости комбинированной обработки деталей и разработке специального инструмента, обеспечивающего при обработке благоприятные условия резания и пластического деформирования.

Известно, что рабочие поверхности вырубных пуансонов, как и других подобных инструментов, работают в различных условиях. Основную нагрузку несет режущая кромка, которая должна обладать повышенной поверхностной динамической прочностью и износостойкостью. Для обеспечения благоприятных условий резания и достаточной поверхностной динамической прочности режущая кромка вырубных пуансонов должна иметь оптимальный радиус скругления, что обычно обеспечивается его виброобработкой. Для повышения поверхностной динамической прочности и износостойкости вырубных пуансонов их рабочая кромка должна быть легирована материалами, обеспечивающими это, что осуществляется лазерным легированием. Анализ взаимодействия рабочей части режущего инструмента и обрабатываемой детали показывает на возможность частичного или полного перевода процесса резания к пластическому деформированию. Это в значительной мере расширяет возможности совершенствования обычных методов механической обработки и создания новых видов ЛОУ-обработки.

Методология разработки новых методов ЛОУ-обработки также может базироваться на предложенной концепции нового научного подхода к решению этой проблемы, основанной на единстве технологии изготовления и эксплуатации деталей машин и их соединений. Так, для повышения долговечности пар трения необходимо уменьшить их приработку в процессе эксплуатации. Этого можно добиться финишной обработкой поверхностей трения, моделирующей ускоренный процесс их приработки. В соответствии с разработанной теорией трещин, трения и износа процесс приработки представляет микрорезание и пластические деформации микронеровностей поверхностей трения. Обеспечить этот процесс можно на стадии финишной обработки поверхности трения специальным инструментом с моделированными микронеровностями. Рабочая поверхность инструментов должна проскальзывать по поверхности трения обрабатываемой детали, вызывая микрорезание и микродеформирование ее шероховатости. В качестве такого инструмента может быть взят притирочный абразивный брусок с определенной зернистостью или иглофреза с определенным диаметром рабочих иголок. Усилия прижатия и скорость проскальзывания инструмента определяются условиями эксплуатации обрабатываемой поверхности трения.

В зубчатых передачах в процессе приработки изменяется форма эвольвентной поверхности, увеличивается боковой зазор, что ведет к увеличению шума, изменению линии контакта и к разрушению зубьев. Избежать этого явления можно, если в процессе изготовления и приработки зубчатых передач смоделировать все эти процессы: при зубонарезании и шлифовании зубьев обеспечить их эксплуатационный профиль, а при обкатке - равновесное состояние качества поверхности. Для этого должен быть скорректирован рабочий профиль фрезы и шлифовального круга. Это, в свою очередь, говорит о необходимости учета при проектировании инструмента функционального назначения обрабатываемой поверхности. Для окончательной обработки боковых поверхностей зубчатых колес может быть использована обкатка или специальная технология финишной обработки поверхностей, обеспечивающая процесс микрорезания и пластических деформаций микронеровностей. Финишная обработка обеспечивается алмазным или обычным шевингованием.

Приведенные примеры свидетельствуют об острой необходимости разработки в современном машиностроении принципов и путей осуществления различных видов локальной обработки поверхностей деталей машин и, прежде всего, ЛОУ-обработки. Уникальность ЛОУ-обработки поверхностей деталей машин состоит в том, что создается реальная возможность получения поверхностного слоя с переменными показателями качества. В результате становится возможным реальное управление эксплуатационными показателями качества поверхностного слоя деталей в зависимости от преобладающего эксплуатационного фактора, а также внешних и внутренних воздействий, что, безусловно, приведет к повышению их работоспособности и надежности.

Объективным ограничением на пути увеличения долговечности деталей машин является наличие конструктивных концентраторов напряжений в виде отверстий, галтелей, переходных поверхностей, карманов, пазов и т.п. Так, наличие галтели или отверстия уменьшает предел циклической усталости материала по сравнению с гладкой поверхностью от 2 до 5 раз. Это снижение оценивается коэффициентом концентрации напряжений, равным отношению фактического ресурса участка детали с гладкой поверхностью к ресурсу зоны действия концентратора напряжений. Понятно, что уменьшение этого коэффициента позволит полнее использовать высокие механические свойства металлов и обеспечит равнопрочность поверхностей деталей по критерию усталостной долговечности.

В практике встречается большое число случаев, когда после упрочнения поверхности собираемых деталей производится их взаимная подгонка на сборочных стендах. При этом на части поверхностей обрабатываемых деталей снимается упрочненный слой и обработанные участки становятся такими же, как и концентраторы напряжений, «слабым» по критерию долговечности местом конструкции. Существующие процессы упрочнения (вибрационный, ударно-барабанный, дробеструйный и др.) предназначены, как правило, для обработки всех поверхностей детали. В то же время усталостная долговечность детали лимитируется в основном фактическим ресурсом участков концентрации напряжений. Поэтому сложная деталь после упрочнения либо по всей поверхности, либо по местам концентрации напряжений имеет примерно одинаковый ресурс. Применение способов общей обработки поверхностей деталей ППД в сравнении с местным наклепом приводит к существенному увеличению материальных и трудовых затрат, особенно при производстве крупногабаритных деталей. Так, чтобы упрочнить отдельные поверхности крупногабаритных деталей, необходимо использовать ударно-барабанные установки типа УБЯ и виброударные типа ВУД мощностью 110 и 50 кВт, время обработки при этом составляет соответственно 4 и 6 часов.

Локальная обработка поверхностей имеет самостоятельное значение или служит дополнением к традиционным методам ППД. Как правило, она выполняется портативными устройствами. Средствами локального наклепа обрабатываются отверстия, переходные зоны различной формы круглых и плоских деталей, сварные швы и т.п. Так как указанные элементы присущи большинству машиностроительных деталей, то локальная обработка ППД может быть использована в любых отраслях машиностроения.

Важно отметить, что обработке поверхностным наклепом могут подвергаться либо все поверхности деталей, в том числе и концентраторы напряжений, либо только участки концентраторов. Эффективность упрочнения в этих случаях примерно одинакова и практически определяется режимами обработки зон концентрации напряжений. Однако по экономическим показателям такое упрочнение значительно производительнее и дешевле, чем повсеместное. При этом средствами локального упрочнения можно обрабатывать различные поверхности детали. Компактность устройств локального упрочнения позволяет использовать их в условиях ремонта изделий без расстыковки конструкции и демонтажа деталей. Наиболее эффективным может оказаться локальное упрочнение деталей, общая поверхность которых больше зон действия концентраторов напряжений.

ЛОУ-обработке могут подвергаться детали разнообразных форм и размеров, изготовленные из различных металлов. Большую группу деталей составляют маложесткие детали типа панелей, стенок, плит, профилей, выполненные из высокопрочных алюминиевых сплавов, например ДI6Т, В95Т, АК4-1Т.

Характерными поверхностями деталей, подвергаемых ЛОУ-обработке, являются: зоны концентрации напряжений (отверстия, ступицы, скосы, выборки, резьбы, галтели, пазы и т.д.); неупрочненные участки поверхностей деталей, прошедшие общую упрочняющую обработку в вибрационных, ударно-барабанных и прочих установках (под прижимами, в карманах, отверстиях и других труднодоступных для обрабатывающей среды частях); места механической доработки деталей, на которых упрочненный слой снят при подгоночных работах.

Известно, что после упрочняющей обработки ППД изменяется шероховатость поверхности деталей. Причем применение некоторых способов упрочнения повышает шероховатость обработанной поверхности (раскат отверстий), применение других увеличивает шероховатость (дробеструйная обработка), но во всех случаях исходная и конечная шероховатость, как правило, взаимосвязаны:

исходная шероховатость определяется в зависимости от используемого способа обработки. Шероховатость детали до обработки ППД зависит от процесса ее изготовления, изменить который не всегда возможно. Когда заданы исходная и конечная шероховатости, то они выступают как ограничения на применимость способов упрочнения детали в целом или отдельных ее участков.

Особенностью ЛОУ-обработки является то, что при обработке отдельных участков поверхности не отмечается ослаблений в местах перехода наклепанного слоя в ненаклепанный. Это выгодно отличает процессы ЛОУ-обработки от других способов упрочнения, например от поверхностной закалки, при которой зона перехода закаленного слоя к незакаленному обладает пониженной прочностью.

В общем случае технологические возможности того или иного способа ЛОУ-обработки определяются его физико-химическими и конструкторско-технологическими особенностями, характером взаимодействия обрабатываемой поверхности и элементов геометрии инструмента или обрабатывающей среды. Сам метод обработки представляется как логическое множество физических и кинематических параметров - элементов управляемого воздействия на обрабатываемую заготовку с целью решения совокупности технологических задач изменения формы, размеров и взаимного расположения элементов детали, состояния и свойств ее материала, поверхности и поверхностного слоя. Он определяется видом затрачиваемой энергии, кинематикой и сущностью процесса формообразования, типом применяемого инструмента (обрабатывающей среды) и оборудования).

Технологические возможности методов ЛОУ-обработки определяются кинематическими и динамическими параметрами, геометрией рабочих элементов инструмента и рабочей среды, физико-химическими свойствами процесса. Для существующих методов ЛОУ-обработки следует отметить ряд особенностей, создающих предпосылки к решению широкого круга типовых и частных технологических задач. Среди них наиболее существенными являются следующие:

1. Гибкая связь рабочих элементов инструмента, осуществляющих упруго-пластическую деформацию, обеспечивает обработку поверхности практически любой кривизны.

2. Широкий диапазон регулирования параметров и режимов процесса (энергия ударов, их частота, масса соударяющихся тел и др.) обеспечивает обработку материалов с различными физико-механическими характеристиками (стали, чугуны, алюминиевые, медные, титановые сплавы и др.).

3. Дискретный характер приложения нагрузки, кратковременность ее воздействия, а также возможность управления энергетическими параметрами создают предпосылки для обработки как жестких и массивных, так и тонкостенных нежестких деталей.

4. Независимость энергии ударного импульса от геометрии рабочей поверхности (например, сферы) инструмента позволяет в широком диапазоне регулировать параметры упрочненного слоя (степень и глубину наклепа, уровень остаточных напряжений).

5. Изменяя геометрию контактных элементов инструмента, можно управлять параметрами шероховатости обрабатываемой поверхности и, в определенной мере, интенсивностью деформирования материала детали.

6. При соответствующих соотношениях кинематических параметров процесса и размерных характеристик элементов конструкции инструмента обеспечивается создание регулярного микрорельефа (РМР) обрабатываемой поверхности, в том числе новых его форм, а одновременное участие в формировании поверхности большого количества рабочих элементов инструмента существенно повышает производительность образования РМР по сравнению с известными методами (например, виброобкатыванием). При этом возможно образование РМР на поверхностях фасонной формы, что существенно расширяет эффективное применение РМР в создании деталей машин и инструмента, повышении их качественных и эксплуатационных характеристик.

7. Универсальность методов обработки многоконтактным инструментом обеспечивает применение его в различных условиях производства (единичном, серийном, массовом) новых изделий, а также при ремонте машин.

По технологическому назначению современные методы ЛОУ-обработки можно разделить на следующие группы:

1. Отделочно-упрочняющая и стабилизирующая обработка деталей сложной формы основного производства.

2. ОУС штампового, прессового, холодно-высадочного, режущего и деревообрабатывающего инструмента.

3. Местное упрочнение отдельных участков (локальных зон) поверхности детали.

4. Упрочняющая обработка сварных швов и околошовной зоны.

5. Формообразовние наклепом маложестких деталей (элементов оболочек, панелей и т.п.), представляющее собой деформационную размерную обработку.

6. Образование регулярного микрорельефа на поверхностях различной формы.

7. ОУО в ремонтном производстве.

8. Упрочняющая обработка с одновременным нанесением покрытий различного назначения.

Наиболее перспективными методами ЛОУ-обработки деталей машин являются методы, основанные на применении многоконтактных виброударных и упрочняющих инструментов (МКВ и УИ), характерным представителем которых может служить шарико-стержневой упрочнитель (ШСУ).

Размещено на Allbest.ru