Содержание к диссертации
Введение
1. Электромеханическая обработка как средство повышения эксплуатационных свойств деталей машин 6.
1.1. Общие задачи и перспективные направления в упрочняющей технологии . 6.
1.2. Влияние электромеханической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин 13.
1.3. Структура, состав и физико-механические свойства поверхностного слоя , 23,
1.4. Выводы и постановка задач исследования 30.
2. Анализ влияния технологических, факторов электромеханической обработки на поверхностного слоя в зоне контакта инструмент-деталь и площадь контакта 32.
2.1. Исследование тепловых процессов при электромеханической обработке 32.
2.2. Площадь контакта инструмент-деталь при электромеханической обработке 40.
2.3. Выводы 45.
3. Исследование влияния технологических факторов электромеханической обработки на качество поверхности и гео метрическую точность детали 46.
3.1. Установка, инструмент, измерительные приборы и методика экспериментальных исследований 47.
3.2. Необходимое число измерений параметров в проводимых исследованиях и математическая обработка результатов 57.
3.3. Исследование влияния технологических факторов электромеханической обработки на шероховатость поверхности 62.
3.4. Исследование влияния технологических факторов электромеханической обработки на площадь контакта инструмент-деталь . 70.
3.5. Исследование влияния технологических факторов электромеханической обработки на точность цилиндрических отверстий 75.
3.6. Выводы * 78.
4. Исследование влияния технологических факторов электро механической обработки на структуру поверхностного слоя
4.1. Исследование температурного поля в зависимости от технологических факторов электромеханической обработки *. 80,
4.2. Влияние исходной структуры на толщину упрочненного слоя при электромеханической обработке 88.
4.3. Исследование влияния технологических факторов электромеханической обработки на тонкую структуру белого слоя 94.
4.4. Выводы 101.
5. Влияние качества поверхностного слоя после электромеханической обработки на износ и коррозионную стойкость юз
5.1. Исследование влияния технологических факторов элек тромеханической обработки на остаточные напряжения первого рода в поверхностном слое , Ю4.
5.2. Влияние режимов электромеханической обработки на твердость и величину упрочненного слоя 115.
5.3. Влияние технологических факторов электромеханической обработки на коррозионную стойкость поверхностного слоя 121.
5.4. Износостойкость поверхностей после электромеханической обработки 134.
5.5. Выводы 143.
6. Различные случаи применения электромеханической обработки и их экономическая эффективность
6.1. Обработка стаканов подшипников . 145.
6.2. Обработка цилиндров , 148.
6.3. Экономическая эффективность от применения электромеханической обработки в промышленности 150.
Общие выводы 154.
Литература
- Влияние электромеханической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин
- Площадь контакта инструмент-деталь при электромеханической обработке
- Необходимое число измерений параметров в проводимых исследованиях и математическая обработка результатов
- Влияние исходной структуры на толщину упрочненного слоя при электромеханической обработке
Введение к работе
Перед современным машиностроением поставлена задача разработки и внедрения новых высокоэффективных методов увеличения надежности и долговечности машин, при которых процессы повышения эксплуатационных свойств деталей машин легко бы встраивались в технологический поток изготовления детали.
Одним из наиболее перспективных видов упрочняющей технологии в машиностроении в настоящее время является термомеханическая обработка. Однако использование традиционных способов термомеханической обработки для упрочнения внутренних поверхностей деталей типа цилиндров и втулок затруднено из-за особенностей их конструкций, таких как тонкостенность и ограниченность рабочего пространства для размещения необходимых приспособлений.
Электромеханическая обработка (одно из новых направлений термомеханической обработки) позволяет преодолеть указанные затруднения и повысить эксплуатационные свойства таких деталей путем одновременного силового и теплового воздействия на поверхностный слой при обкатке роликом с пропусканием тока через место контакта инструмент-деталь .
Настоящая работа посвящена решению комплекса вопросов, связанных с использованием электромеханической обработки для повышения качества и долговечности деталей типа цилиндров и втулок. Основное внимание в работе уделено изучению механизма повышения эксплуатационных свойств деталей технологическими методами электромеханической обработки, установлению влияния технологических факторов рассматриваемого вида обработки на качество изготовления детали, а также разработке рекомендаций для промышленного применения электромеханической обработки в изготовлении и восстановлении деталей типа цилиндров и втулок.
Влияние электромеханической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин
Разрушение детали под действием нагрузки начинается с образования усталостных трещин, которые возникают в местах наибольших концентраций растягивающих напряжений. Концентраторами напряжений являются впадины микронеровностей, риски, структурные неоднородности и другие несовершенства поверхностного слоя.
Пластический характер формирования поверхностного слоя, повышение качества поверхности при ЭМО по сравнению с исходной способствуют снижению числа концентратов напряжения в поверхностном слое и увеличению долговечности деталей машин.
Шероховатость поверхности является одной из характеристик качества обработки детали, поэтому изучению влияния ЭМО на шероховатость поверхности посвящены специальные исследования. Изучалось влияние на шероховатость поверхности величины тока, скорости обработки, числа проходов, величины подачи, материала образца, рода тока, исходной шероховатости поверхности [3, 4, 5, 36, 83, 101, 112]и др. . Обработку проводили в основном упругим инструментом с жестким креплением рабочего элемента.
Величина тока, пропускаемого через зону контакта инструмент-деталь, - один из основных параметров процесса, который определяет количество выделяющегося в зоне контакта тепла и оказывает решающее влияние на формирование поверхностного слоя и его шероховатость. По данным ряда исследователей, зависимость шероховатости от величины тока носит экстремальный характер. Повышение шеро ховатости при малых величинах тока объясняется недостаточной степенью деформации микрогребешков из-за низкой температуры в зоне контакта [5, 38] . При больших токах увеличение шероховатости одни исследователи [7, 38, 93] объясняют износом упрочняющего элемента, другие - вторичным явлением, высадкой [4, б, 71, 105] . Оптимальная величина тока, при которой наблюдается минимальная шероховатость, смещается в сторону больших или меньших токов в зависимости от скорости обработки. [5, 25, 36, 83 ] .
Исследование роли скорости ЭМО показало, что при скоростях выше 10 м/мин шероховатость поверхности ухудшается. Шероховатость поверхности продолжает увеличиваться в зависимости от режимов обработки до 30-60 м/мин [б, 36, 38] , при дальнейшем увеличении скорости обработки она стабилизируется и не изменяется до конца изученного диапазона - 150 м/мин [4, 25, 112] . Данные о влиянии скорости обработки на шероховатость при скорости ЭМО меньше 10 м/мш противоречивы. Отмечается как уменьшение [36, 51] , так и увеличение шероховатости [4, 38] с уменьшением скорости обработки в этом диапазоне. Анализ тепловых процессов показывает, что изменение скорости обработки создает условия, аналогичные тем,которые возникают при изменении величины тока. Исходя из этого, следует ожидать экстремальное изменение шероховатости поверхности и при изменении скорости ЭМО. Поэтому данные [4, 5, 38] , по нашему мнению, больше соответствуют действительности.
Роли числа проходов посвящены специальные исследования, которые показали, что до 3-4 проходов шероховатость поверхности уменьшается, дальнейшее же повышение числа проходов ухудшает шероховатость поверхности. Это явление объясняют возникновением вторичной шероховатости [б, 25, 38, 42, 54J .
С повышением до определенной величины (оптимальной для данных условий) давления инструмента на обрабатываемую поверхность шероховатость ее уменьшается. Превышение оптимального давления превращает процесс электромеханического сглаживания в электромеханическую высадку [4, 37, 54, 105] , т.е. наблюдается выдавливание металла с образованием винтовой канавки на обрабатываемой поверхности. Величина оптимального давления, как указывается в работах [l05] , определяется температурой в зоне контакта, формой и размерами деформирующего элемента и детали, исходной шероховатостью.
В работах [б, 38, 83, 101] приводятся исследования влияния подачи на шероховатость обработанной поверхности. Предположение о независимости шероховатости поверхности от величины подачи [iOl] противоречит выводам других авторов, которые считают, что подача оказывает большое влияние на шероховатость обработанной поверхности.
Исходные физико-механические свойства обрабатываемых материалов по данным, опубликованным в работах [7, 93 , оказывают определенное влияние на шероховатость поверхности. При прочих равных условиях ЭМО наименьшую шероховатость поверхности имеют детали, материал которых обладает большей пластичностью и меньшей твердостью в исходном состоянии [4, 8, 83 ] . При обработке чугуна существенного улучшения шероховатости поверхности не наблюдалось [7, 105] .
Площадь контакта инструмент-деталь при электромеханической обработке
В ряде работ по ЭМО [5, 9 ] предпринимались попытки оценить величину площади контакта. В исследованиях 83 за площадь контакта принимались площадка контакта при статическом сжатии инструмента с деталью; автор работы [42] определяет площадь контакта по формуле Проскурякова-Меньшикова которая рекомендуется ее авторами для пластического деформирования без подогрева. Согласиться с рекомендациями и выводами работ [ 4, 42, 83] , по нашему мнению, нельзя. Во-первых, даже при холодном пластическом деформировании площадь контакта отличается потчи в два раза[ 72, 90] от площади, образующейся при статическом вдавливании инструмента в деталь. Во-вторых, авторы этих работ не учитывают, что площадь контакта существенно зависит от упругих и пластических свойств обрабатываемого материала, которые изменяются с изменением температуры в зоне контакта [20] . Последнее обстоятельство не учитывается и в более поздних работах по исследованию площади контакта при ЭМО [ 5, 36 ] .
Как указывает сам автор этих работ, предложенная им формула расчета площади контакта, применима только для оптимальных режимов сглаживания ЭМО и не может применяться для обработки в режиме упрочнения. Кроме того, в ней нет связи площади контакта с режи мом обработки и другими характеристиками процесса ЭМО, влияющими на площадь контакта. В частности, смещение разогретого металла в направлении подачи, которое получило название "опережающая волна". Подобное явление наблюдается при обработке пластическим деформированием и без электроподогрева, и при трении движения [47 ] . Так Й.В.Крагельский[ 52] , например, указывает, что "при трении движения деформация тонких поверхностных слоев и соответственное увеличение площади контакта идет намного интенсивнее в результате образования своеобразного легко перетекающего поверхностного слоя".
Находясь в непосредственном контакте с обрабатывающим инструментом, "опережающая волна" влияет на величину площади контакта. Размеры волны зависят от параметров обработки. Следовательно, и площадь контакта, выраженная через высоту "опережающей волны", будет связана с режимами обработки. Найдем площадь контакта при обработке внутренней поверхности цилиндра инструментом со сферической поверхностью. Для рассматриваемых взаимодействующих пар площадь поверхности контакта при пластической деформации равна половине площади поверхности вытянутого эллипсоида, построенного на осях, равных наибольшим длинам контакта инструмента с деталью, измеренным во взаимно перпендикулярных плоскостях [77, 92 ] .
Чтобы рассчитать площадь контакта по формуле (2.13.), необходимо знать длину полуосей эллипсоида. Расчетные схемы для определения полуосей представлены на рис. 2.4. Оси расчетного эллипсоида будут складываться соответственно из отрезков aj + ао и вj + B . Ввиду того, что сумма упругих деформаций и величины микронеровностей после ЭМО -А. на порядок меньше высоты "опережающей волБ.Аскинази [ 9] на основе иных исходных положений, и даже результаты расчетов площади контакта по этим формулам для оптимальных режимов сглаживания находятся в хорошем соответствии (в пределах 7%), По формуле (2.20.) можно через величину Н (значение R=j(tfP,yu) приводится в разделе 3.4. настоящей работы) проследить влияние режимов обработки (рис. 2.5.) на площадь контакта. Формула, предложенная Б.Аскинази, такой связи не устанавливает, что противоречит экспериментальным наблюдениям (раздел 3.4.).
Таким образом, выражение (2.20.) позволяет в отличие от других способов расчета площади контакта при ЭМО установить характер изменения площади контакта в зависимости от режимов обработки, определить площадь контакта при различных видах ЭМО, заменить трудоемкие измерения площади контакта расчетом её.
1. Исследование тепловых процессов при ЭМО на основе метода источников показало, что температура в зоне контакта инструмент-деталь составляет П00-1200С. Температура в зоне контакта несколько повышается за счет тепла "кольцевых" источников, которые образуются при перемещении источника тепла относительно детали. В расчетах температуры достаточно учесть влияние 3-5 источников, непосредственно предшествующих исследуемой точке, чтобы учесть 96-98% прироста температуры от "кольцевых" источников.
2. Наибольшее влияние на температуру из всех технологических факторов ЭМО оказывает величина электрической энергии, подводимой в зону контакта; при электромеханическом сглаживании в изменении температуры существенна роль силы давления инструмента на деталь; при всех видах ЭМО увеличение скорости обработки снижает температуру в зоне контакта.
3. Температурный момент сил, возникающий при ЭМО цилиндров, вследствие образования температурного градиента, мал по величине и не может оказать существенного влияния на образование конуса на свободном конце обрабатываемого цилиндра.
4. Площадь контакта инструмента с деталью при ЭМО зависит от отношения радиуса скруглення рабочего элемента к радиусу обрабатываемого цилиндра и технологических факторов обработки. И если изменение отношения радиусов приводит к непосредственному изменению площади контакта, то влияние режимов обработки на площадь контакта в основном передается через "опережающую5 волнуу высота которой зависит от технологических факторов ЭМО. В режиме сглаживания высота "опережающей1 волны"совпадает с величиной исходной шероховатости обрабатывемой поверхности. -Н [б ]» а а и В на порядок меньше, чем aj и Bj. Определим aj.
Необходимое число измерений параметров в проводимых исследованиях и математическая обработка результатов
Случайные ошибки, причины появления которых учету не поддаются, так как неодинаковы для каждого опыта, неисправимы и их можно только уменьшить [26, 49, 81 ] . Пути уменьшения случайной ошибки Ьх заложены в ее связи с величиной квадратической дисперсии измерения о и числом измерений П , которое выражается соотношением: VrT (3.1.) При ограниченном числе измерений выражение 3.1. преобразу ется в _ S Vn" (3.2.) где Sx - средняя квадратическая погрешность среднего арифметического ; S - средняя квадратическая погрешность среднего результата.
Выражение (3.2.) показывает, что случайная ошибка измерения уменьшается при повышении точности отдельных измерений и увеличении числа измерений этой величины. Точность отдельных измерений в основном зависит от точности применяемых для исследований приборов. Каждый исследователь стремится использовать наиболее совершенную из имеющейся в его распоряжении аппаратуры, поэтому возможность уменьшения случайной ошибки за счет повышения точности измерения практически исчерпана.
Другой путь - уменьшение случайной ошибки за счет увеличения числа измерений. Однако, увеличение числа измерений усложняет процесс исследования: увеличивает затраты времени на исследования, повышает стоимость исследовательских работ. Поэтому прежде, чем приступить к исследованиям, необходимо установить оптимальное ко личество измерений исследуемой величины, обеспечивающее заданную точность измерения. С этой целью нами перед началом каждой серии экспериментов определялось необходимое число измерений. Методика расчета, основывающаяся на работах [44, 63], приведена ниже.
Уменьшение величины случайной ошибки целесообразно проводить до тех пор, пока общая погрешность измерений не будет определяться систематической ошибкой. При этом систематическая ошибка должна быть больше доверительного интервала АХ , определенного с выбранной степенью надежности о\ . Для большинства исследований вполне можно положить, что S AX о [63] , где о - систематическая ошибка, а надежность, с которой устанавливается доверительный интервал, находится в пределах 0,9 - 0,95. Определение необходимого числа измерений производилось по таблицам, приведенным в приложении, в которых АХ дано в долях среднеквадратичной ошибки.
Рассчитаем.в качестве примера необходимое число измерений при оценке шероховатости поверхности после ЭМО (для других разделов настоящей работы расчеты проводили аналогично). Систематическая ошибка профилометра мод. 201 по шкале В.адля диапазона измерений Rft = 0,08 - 0,32 составляет - о = 0,032 мкм; средняя квад-ратическая погрешность единичного измерения равна ох = 0,071 мкм. 5" Положив = ——— = 0,43, находим /. = 0,9. По таблице (см.при Sx ложение 7) для надежности 0,9 находим Л = 19 измерений. Принимаем 20 измерений. Таким образом, чтобы получить случайную погрешность не выше систематической, необходимо в данном случае произвести 20 измерений.
При обработке экспериментальных данных в первую очередь возникает необходимость оценить, являются ли неординарные результаты ошибочными или нет. Эти сомнения разрешались на основании "критерия непринятия резко выделяющихся наблюдений"[8і] . Если расхож -дение случайно, то должно соблюдаться неравенство: "t SHx-xl, (з.з.) где X - значение проверяемого на ошибочность результата, X - среднее значение результатов наблюдения без проверяемого; S - среднеквадратическое отклонение; 1ь - коэффициент, зависящий от числа наблюдений и от величины коэффициента надежности. В настоящей работе принято ty = 2,178 на основании рекомендаций, данных в работе [49]. В том случае, если возникал вопрос, являются ли две группы наблюдений выборками одной генеральной совокупности и можно ли их объединять в одну, для оценки случайности расхождения двух выборочных средних использовался способ
Влияние исходной структуры на толщину упрочненного слоя при электромеханической обработке
Программа экспериментальных исследований температурного поля предусматривала: 1) определение температуры в отдельных точках поверхностного слоя; 2) установление характера изменения температуры в этих точках по величине и во времени; 3) определение влияния отдельных параметров ЭМО на температуру поверхностного слоя; 4) сопоставление результатов экспериментальных исследований с результатами аналитического расчета температурного поля, а также с данными о характере распределения температуры в поверхностном слое при электромеханической обработке, имеющимися в литературе.
Электромагнитные.поля, сопровождающие процесс ЭМО, существенно затрудняют исследование тепловых процессов. Особенно большое влияние они оказывают на электронные регистрирующие приборы. Так, попытки исследования температурного поля с помощью электронно-оптического преобразователя не дали удовлетворительных результатов: на экране, преобразователя получается настолько размытое изображение контакта инструмент-деталь, что произвести количественную оценку температуры не удалось. Метод "естественной термопары" по тем же причинам нами был отвергнут, к тому же тарировка естественной термопары вызывает известные трудности [72, 91 ] .
Метод микроструктурного анализа, предложенный А.П.Гуляевым и Б.И.Костецким [35, 107] , основанный на связи температуры и структурных изменений, мы применяли лишь для качественной оценки результатов определения температуры поверхностного слоя, а основные исследования проводили методом "искусственной термопары", который получил широкое распространение в практике температурных исследований. В отличие от естественной искусственная термопара хорошо экранируется от электромагнитных полей, легко тарируется [23, 78] . Однако особенности процесса ЭМО предъявляют определенные требования к применяемым термопарам. Искусственная термопара должна: - обеспечивать хороший тепловой контакт спая с деталью; - вносить минимальные искажения в тепловой поток, распространяющийся в детали; - обладать малой тепловой инерцией и др.
Термопары для наших исследований изготавливались специально из полос сплавов - алюмель и капель. Для уменьшения массы и инерционности термопары проволоку из указанных материалов диаметром 0,1 мм (ГОСТ 1790-68) прокатывали в полосы до сечения 0,001 ушг. Горячий спай получали сваркой этих полос на монтажном столе со сварочным станком модели И.020.003. Режим сварки: сила прижатия 49, ОН, напряжение 5 В, сила тока 30 А. Время сварки подбиралось с помощью регулятора времени типа А.628.01.
Длину полос для термопары мы выбирали таким образом, чтобы суммарное сопротивление термопары после сварки было равно 20 0м. Сопротивление измеряли в прямом и обратном направлениях тока электроизмерительным мостом ЕМ-2353, точность которого - 1%.
Измерение инерционности термопар производилось нами в соответствии с ГОСТом 6616-76. Изменение ЭДС фиксировалось по отклонению луча гальванометра НГМ-2, а время - электрическим секундо мером ПВ-53 Л;,. По результатам измерения был построен в полула-горифмических координатах график KnN=j(t) , гдеМ - число делений, на которое отклонится луч гальванометра за время11- - при нагревании термопары на Ю0С,
Согласно ГОСТУ 6616-76 котангенс наклона линии, построенной на графике, к оси времени и будет показателем тепловой инерции Е , вычисляемой по формуле: Инерционность применяемых в исследованиях термопар не превышала 0,001 сек. Горячие спаи термопар мы приваривали электрической сваркой ко дну каналов, просверленных в цилиндрических образцах, подготовленных для ЭМО. Диаметр канала - 1,2 мм. Глубина канала зависела от положения исследуемой точки относительно обрабатываемой поверхности.
Тарирование термопары проводилось по методике, приведенной в работах [93, 94 J, с учетом особенностей электромеханической обработки при тщательном экранировании термопары.
Исследование температурного поля и тарирование термопары проводилось с помощью установки, состоящей из двенадцатиканаль-ного шлейфового осциллографа Н-І05 с блоком усиления и стабилизатором напряжения. Запись изменения термотока велась с использованием гальванометров М004 № 6 и М004 № 15. Характеристики цилиндров, подвергавшихся ЭМО, инструмента, оборудования, применяемых в исследованиях, указаны в подразделе I раздела 3.
