Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса. цель и задачи исследования 13
1.1 Анализ требований, предъявляемых к конструкциям энергомашиностроения и сложности в их изготовлении 13
1.2 Усталостное разрушение резьбовых соединений 16
1.2.1 Неравномерное распределение нагрузки по виткам резьбы 17
1.2.2 Концентрация местных напряжений 20
1.2.3 Предварительная затяжка резьбовых соединений 25
1.3 Влияние шероховатости резьбовой поверхности на предел выносливости резьбовых соединений 28
1.4 Технологические методы изготовления внутренних резьбовых поверхностей 31
1.5 Особенности технологии изготовления внутренних резьбовых поверхностей метчиками 39
1.6 Финишные методы обработки сложнопрофильных поверхностей 42
1.7 Выводы, цель и задачи исследования 49
ГЛАВА 2 Разработка способа магнитно-абразивного полирования сложнопрофильного инструмента и конструкции устройства 53
2.1 Разработка способа магнитно-абразивного полирования рабочих участков сложнопрофильного инструмента 53
2.1.1 Патентный анализ способов магнитно-абразивного полирования сложнопрофильных поверхностей 53
2.1.2 Способ магнитно-абразивного полирования рабочих участков сложнопрофильного инструмента 55
2.2 Устройство для магнитно-абразивного полирования сложнопрофильных поверхностей 64
2.3 Экспериментальные исследования по определению технических возможностей магнитно-абразивной установки 67
2.3.1 Задачи экспериментальных исследований и контрольно-измерительная аппаратура 67
2.3.2 Технические возможности устройства для МАП 68
2.4 Экспериментальные исследования по определению режимных параметров станка с ЧПУ при магнитно-абразивном полировании заготовок избыстрорежущей стали 73
2.4.1 Определение условий магнитно-абразивного полирования 73
2.4.2 Методика экспериментальных исследований 80
2.4.3 Закономерности влияния скоростей рабочих движений органов станка с ЧПУ при МАП заготовок из быстрорежущей стали 82
2.4.3.1 Влияние скоростей рабочих движений органов станка с ЧПУ на шероховатость поверхностного слоя заготовок из быстрорежущей стали 82
2.4.3.2 Влияние скоростей рабочих движений органов станка с ЧПУ на количество снимаемого материала при МАП заготовок из быстрорежущей стали 85
2.4.3.3 Определение минимальной шероховатости поверхностного слоя и количества снимаемого материала 87
2.5 Выводы по второй главе 91
ГЛАВА 3 Формирование качества сложнопрофильных поверхностей при магнитно-абразивном полировании 93
3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 95
3.2 Влияние технологических параметров магнитно-абразивного полирования на параметры качества сложнопрофильных поверхностей 102
3.2.1 Радиус скругления режущих кромок сложнопрофильного инструмента 102
3.2.2 Шероховатость контактных поверхностей зубьев сложнопрофильного инструмента 108
3.2.3 Микротвердость контактных поверхностей зубьев сложнопрофильного инструмента 114
3.2.4 Производительность обработки при магнитно-абразивном полировании сложнопрофильных поверхностей 119
3.3 Визуальный контроль контактных поверхностей зубьев сложнопрофильного инструмента до и после МАП 123
3.4 Выводы по третьей главе 126
ГЛАВА 4 Повышение качества внутренних резьбовых поверхностей на основе предварительного магнитно абразивного полирования сложнопрофильного инструмента 128
4.1 Условия проведения экспериментальных исследований 129
4.2 Экспериментальные исследования технологии изготовления внутренних резьбовых поверхностей с учетом предварительного магнитно-абразивного полирования сложнопрофильного инструмента 132
4.2.1 Влияние состояния контактных поверхностей зубьев метчика на параметры шероховатости внутреннего резьбового профиля 132
4.2.2 Влияние радиуса скругления режущих кромок зубьев метчика на параметры шероховатости внутреннего резьбового профиля 147
4.3 Технологическое повышение качества внутренних резьбовых поверхностей 153
4.3.1 Магнитно-абразивное полирование сложнопрофильного инструмента 153
4.3.2 Сравнительные экспериментальные исследования по изготовлению внутренних резьбовых поверхностей различными образцами метчиков 155
4.3.3 Алгоритм выбора рациональных микрогеометрических параметров рабочих участков сложнопрофильного инструмента 163
4.3.4 Рекомендации по технологии изготовления внутренних резьбовых поверхностей с учетом предварительного магнитно-абразивного полирования сложнопрофильного инструмента 168
4.4 Выводы по четвертой главе 174
Заключение 177
Список литературы
- Неравномерное распределение нагрузки по виткам резьбы
- Патентный анализ способов магнитно-абразивного полирования сложнопрофильных поверхностей
- Влияние технологических параметров магнитно-абразивного полирования на параметры качества сложнопрофильных поверхностей
- Технологическое повышение качества внутренних резьбовых поверхностей
Неравномерное распределение нагрузки по виткам резьбы
Прочность нержавеющих сталей в процессе резания может возрастать не только за счет наклепа, но и посредством мартенситного превращения, которое происходит в зоне резания и в стружке при пластической деформации. Вследствие этого, возникающие твердые слои перед режущим инструментом и образующаяся стружка, которая имеет, в основном, структуру мартенсита, негативно влияют на стойкостные характеристики инструмента.
Также высокая упрочняемость нержавеющих сталей и жаропрочных материалов при высокой нестабильности протекания процесса их пластического деформирования ведет к пониженной виброустойчивости движения резца [65]. Возникающие вибрации являются одной из причин появления переменных силовых и тепловых нагрузок на рабочих поверхностях инструмента, ведущих к микро- и макровыкрашиваниям режущих кромок.
Следующей особенностью коррозионно-стойких сталей является их малая теплопроводность, которая приводит к повышенной температуре в зоне контакта, и, вследствие этого, к активизации явлений адгезии и диффузии. Результатом данного фактора является интенсивное схватывание контактных поверхностей и разрушение режущей части инструмента [75].
Большинство коррозионно-стойких сталей имеют способность сохранять исходную прочность и твердость при повышенных температурах [36]. Прочность стали 45 при температуре 800 С снижается в 3-5 раз, а прочность сплавов с аустенитной структурой изменяется значительно меньше [67]. Слабое разупрочнение материала при нагреве в процессе резания делает высокими удельные нагрузки на переднюю поверхность режущей части инструмента – до 5000 МПа при больших подачах и 9000 МПа при малых, что в несколько раз превышает эти значения для обычных конструкционных сталей и соответствует обработке закаленных сталей с твердостью HRC 60-64. При точении стали Х18Н9Т эти значения составляют 1200-2300 МПа, а в момент врезания при прерывистом резании достигают 3000-5000 МПа [75].
Следующим неблагоприятным фактором, определяющим низкую обрабатываемость коррозионно-стойких сталей, является их большая истирающая способность, которая обусловлена наличием в них кроме фазы твердого раствора включений второй фазы – карбидной. Эти твердые частицы действуют на рабочие поверхности инструмента подобно абразиву, приводя к увеличенному износу.
Таким образом, проведенный анализ показал, что стремление к все большему применению в энергомашиностроении коррозионно-стойкого материала вызвано решением проблемы эрозионно-коррозионного износа деталей и соединений. При решении данного вопроса возникла не менее острая проблема, связанная с механической обработкой данного вида материалов. Особенно это относится к поверхностям, имеющим сложную пространственную форму, процесс изготовления которых представляет собой сложную технологическую задачу.
Одним из видов таких поверхностей являются резьбовые поверхности, функционирование которых зачастую осуществляется в динамических условиях эксплуатации. В таких условиях резьбовые соединения, как и любые другие детали, подвержены воздействию переменных нагрузок, приводящих к ускоренному разрушению элементов конструкций (усталостное разрушение).
Многие детали машин испытывают в процессе эксплуатации действие циклических нагрузок, изменяющихся либо по значению (поворотные нагрузки), либо по значению и знаку (поворотно-переменные нагрузки). Разрушение вследствие таких нагрузок называют усталостным [83].
Усталостное разрушение резьбовых соединений встречается на практике наиболее часто и является результатом действия поворотно-переменных нагрузок, при этом амплитуда переменной нагрузки, приводящей к разрушению резьбового соединения, оказывается в 10-20 раз меньшей, чем при статическом разрушении [9, 10, 66, 86]. Вследствие этого, обеспечение прочности и долговечности резьбовых соединений, работающих в условиях переменных нагружений, многократно изменяющихся во времени, представляет собой одну из наиболее сложных проблем для конструкторов и технологов [10].
Усталостное разрушение является довольно опасным явлением ввиду отсутствия его предшествующих признаков. Характерной чертой усталостной поломки является почти полное отсутствие деформаций в зоне разрушения, даже болтов из высокопластичных сталей [9, 30, 35, 66]. Как правило, в начале разрушения резьбового соединения трещины обычно настолько мелкие, что их трудно обнаружить. Только по достижении трещиной макроскопических размеров наблюдается ее интенсивный рост, следствием которого является полное разрушение резьбового соединения за малый промежуток времени [9, 10, 66].
На поверхности детали усталостный излом имеет три зоны [9, 10, 35, 66, 86]. В первой зоне (область зарождения трещины) трещина распространяется медленно, и поверхность излома выглядит как полированная и окисленная. Во второй зоне трещина распространяется с большей скоростью, поверхность излома мелкозернистая. В третьей зоне поверхность излома, как правило, крупнозернистая либо волокнистая, соответствующая статическому разрушению. Площадь этих зон зависит преимущественно от уровня переменных напряжений и силы предварительной затяжки соединения. Практика эксплуатации машин показывает, что в большинстве случаев причинами разрушения резьбовых соединений являются повышенная неравномерность распределения нагрузки по виткам резьбы, высокая концентрация местных напряжений и ослабление затяжки [102].
Патентный анализ способов магнитно-абразивного полирования сложнопрофильных поверхностей
Патентный обзор позволил выявить следующие существующие способы магнитно-абразивного полирования сложнопрофильных поверхностей.
Известен способ для магнитно-абразивной обработки резьбовых поверхностей реализуемый устройством [92] (Авторское свидетельство СССР № 537796, опубл. 05.12.76 г.), в котором осуществляется регулировка давления порошка на обрабатываемую заготовку за счет поочередного воздействия на порошок электромагнитов С-образной формы. Регулировка давления порошка зависит от направления вращения детали (заготовки) и нарезки резьбы (левая или правая). Недостаток данного способа заключается в том, что резьбовые поверхности обрабатываются целиком. Обработка резьбовых поверхностей по частям не предусмотрена и не представляется возможным.
Известен способ магнитно-абразивной обработки резьбонарезного инструмента [6], который реализуется при прямом и обратном вращениях метчика в магнитно-абразивной массе. Рассматриваемый способ позволяет скруглять (до необходимых размеров) режущие кромки и осуществлять одновременно с полированием обратное затылование зубьев на ведущем участке инструмента. Результатом такой обработки является повышение стойкости метчика. Недостаток данного способа заключается в том, что учтены не все функциональные особенности рабочих участков сложнопрофильного инструмента.
Известен способ магнитно-абразивной обработки [1], в котором с целью увеличения интенсивности съема металла предлагается использовать специальные сопла для подачи вакуума в рабочую зону между магнитно 54 абразивным порошком и обрабатываемой поверхностью. Подача осуществляется таким образом, чтобы магнитно-абразивный порошок перемещался относительно обрабатываемой поверхности. Недостаток данного способа заключается в том, что сопла выполняют функцию не регулирования порошка в определенной области полирования, а функцию увеличения интенсивности снятия материала. Известен способ магнитно-абразивного полирования сложных поверхностей [7], при котором деталь помещают между полюсами магнитной системы и задают ей вращательное и осциллирующее движение в среде магнитно-абразивной массы. Недостатком данного способа является отсутствие определенной технологической последовательности при обработке сложных поверхностей с различными участками. Известен способ магнитно-абразивной обработки наружных поверхностей инструментов [78], который осуществляется с помощью чашечных полюсов электромагнита, при этом для обработки метчиков советуют полирование заборной и калибрующей частей инструмента производить порознь, последовательно и с разным направлением вращения метчика. В результате такой обработки обеспечивается необходимая острота лезвий на заборной части и бочкообразная форма зубьев на калибрующей части. Недостатком рассматриваемого способа является то, что учтены не все функциональные особенности рабочих участков резьбонарезного инструмента. Данный фактор не позволяет рабочим участкам полноценно выполнять, предназначенные им функции.
Известен способ для магнитно-абразивной обработки частей метчика, реализуемый устройством [91], в котором заборная и калибрующая части сложнопрофильного инструмента обрабатываются поочередно благодаря магнитной системе с двумя парами плоских полюсных наконечников, установленных с возможностью независимой регулировки межполюсного пространства. Недостатком рассматриваемого способа является неэффективное использование магнитно-абразивной массы в процессе полирования, что приводит к дополнительному воздействию на уже обработанные рабочие участки сложнопрофильного инструмента.
Известен способ магнитно-абразивного полирования, реализуемый устройством [93], который позволяет обрабатывать фасонные поверхности различной сложности. Обработка осуществляется за счет того, что магниты и магнитопроводы устройства расположены в шахматном порядке рядами и подпружинены относительно монолитной части верхнего блока с возможностью фиксации каждого ряда в нижнем блоке магнитного индуктора. Благодаря этому рабочая поверхность индуктора способна принимать форму, эквидистантную сложной форме обрабатываемой поверхности. Недостатком данного способа является отсутствие возможности обработки сложнопрофильного инструмента по отдельным участкам. Проведенный патентный анализ существующих способов магнитно-абразивного полирования показал, что в настоящее время обработку рабочих участков резьбонарезного инструмента осуществляют частично, т.е. учитывают не все функциональные особенности рабочих участков метчика. Вследствие этого, поставлена задача по разработке способа магнитно-абразивного полирования сложнопрофильного инструмента с учетом функциональных особенностей его рабочих участков.
Влияние технологических параметров магнитно-абразивного полирования на параметры качества сложнопрофильных поверхностей
Полюсные наконечники площадью сечения S = 44,8 см2. При длине рабочего пространства, равной 5 мм, напряжении 229 В и токе 4 А достигается величина магнитной индукции, равная 1,9 Тл. При увеличении длины рабочего пространства происходит сперва быстрое падение значений магнитной индукции до определенного предела, после которого начинается постепенное снижение данного параметра, при этом напряжение и ток, необходимые для создания того же значения магнитной индукции с увеличением длины рабочего пространства, постоянно возрастают. При длине рабочего пространства, равной 18 мм, напряжении 238,3 В и токе 3,75 А достигается величина магнитной индукции, равная 1,0 Тл, а при длине рабочего пространства, равной 50 мм, напряжении 242,3 В и токе 3,8 А величина магнитной индукции становится равной 0,5 Тл.
Полюсные наконечники площадью сечения S = 20 см2. При длине рабочего пространства, равной 5 мм, напряжении 186,8 В и токе 3,2 А достигается величина магнитной индукции, равная 2,0 Тл. Ввиду ограниченности прибора невозможно было установить какая величина магнитного поля будет при максимальном напряжении и токе, но предположительно, данное значение достигнет 2,2 Тл. Точно так же, как и в первом выводе при увеличении длины рабочего пространства происходит сперва быстрое падение значений магнитной индукции до определенного предела, после которого начинается постепенное снижение данного параметра, при этом напряжение и ток, необходимые для создания того же значения магнитной индукции с увеличением длины рабочего пространства, постоянно возрастают. При длине рабочего пространства, равной 18 мм, напряжении 228,4 В и токе 3,7 А достигается величина магнитной индукции, равная 1,0 Тл, а при длине рабочего пространства равной 50 мм, напряжении 241,9 В и токе 3,8 А величина магнитной индукции становится равной 0,56 Тл.
Полюсные наконечники площадью сечения S = 12 см2. При длине рабочего пространства, равной 5 мм, напряжении 222 В и токе 3,8 А достигается величина магнитной индукции, равная 2,0 Тл. Ввиду ограниченности прибора невозможно было установить какая величина магнитного поля будет при максимальном напряжении и токе, но предположительно данное значение достигнет 2,4 Тл. Так же, как и в первых двух случаях при увеличении длины рабочего пространства происходит сперва быстрое падение значений магнитной индукции до определенного предела, после которого начинается постепенное снижение данного параметра, при этом напряжение и ток, необходимые для создания того же значения магнитной индукции с увеличением длины рабочего пространства, постоянно возрастают. При длине рабочего пространства равной 18 мм, напряжении 235 В и токе 3,93 А достигается величина магнитной индукции, равная 1,0 Тл, а при длине рабочего пространства равной 50 мм, напряжении 237,5 В и токе 3,8 А значение магнитной индукции становится равным 0,53 Тл.
Оценку эффективности магнитно-абразивного полирования, как правило, производят по характеристикам производительности процесса, который определяется массой материала, снятого за единицу времени, и по показателям сформированного качества поверхности [3, 6, 7, 74, 104], одним из важнейших параметров которого является шероховатость поверхностного слоя [51, 52, 69, 70, 74, 104, 106].
При магнитно-абразивном полировании на производительность процесса и шероховатость поверхностного слоя оказывает огромное влияние набор участвующих рабочих движений в обработке и их скорости [6]. Всего в обработке используют четыре вида рабочих движений: главное движение, определяющее скорость резания; осциллирующее движение, позволяющее получить на обработанной поверхности сетку рисок и интенсифицировать самозатачивание порошковой массы; движение подачи, гарантирующее равномерный подпор порошка к обрабатываемой поверхности и активное его перемешивание; дополнительные движения [6, 74].
Исследования по изучению сочетаний рабочих движений и влияния их на производительность процесса и качество поверхностного слоя проведены в работах [74, 104]. Обработка проводилась на специальной установке для объемного магнитно-абразивного полирования, при котором магнитно-абразивная масса находилась в неподвижном состоянии, а заготовка совершала сложное движение в объеме круговой рабочей зоны.
В результате проведенных экспериментальных исследований были получены зависимости влияния сочетаний движений заготовки при объемной магнитно-абразивной обработке на массовый съем металла Q и шероховатость поверхности Ra в зависимости от продолжительности обработки (рисунки 2.15 и 2.16). На рисунках 2.15 и 2.16 кривые 1-7 означают следующее: 1 – сочетание скорости резания, подачи и осцилляции (Vр + Vп + Vо); 2 – сочетание скорости резания и подачи (Vр + Vп); 3 – сочетание скорости резания и осцилляции (Vр + Vо); 4 – скорость резания (Vр); 5 – сочетание скорости подачи и осцилляции (Vп + Vо); 6 – скорость осцилляции (Vо); 7 – скорость подачи (Vп). Анализ рисунка 2.15 показывает, что закономерность съема металла во времени для всех сочетаний движений идентична и различается только в крутизне подъема кривых, т.е. в отношении dQ/dt, характеризующей производительность процесса. С увеличением продолжительности обработки (после 15-20 с) съем металла возрастает в линейной зависимости Q = f(t).
Технологическое повышение качества внутренних резьбовых поверхностей
Из представленных зависимостей видно, что характер изменения радиуса скругления режущих кромок сложнопрофильного инструмента является экспоненциальным. С увеличением зернистости порошка, магнитной индукции и времени полирования радиус скругления режущих кромок увеличивается, причем в первом случае за счет повышения режущей способности магнитно абразивной массы [6], в результате чего с зубьев сложнопрофильного инструмента удаляются большие припуски по сравнению с более мелкой фракцией. С ростом же магнитной индукции увеличиваются жесткость магнитно-абразивной щетки и силы, приложенные к контактирующим с обрабатываемым сложнопрофильным инструментом зернам [73], что сопровождается более интенсивным притуплением режущих кромок. Увеличение времени полирования приводит к возрастанию продолжительности процесса воздействия магнитно-абразивной массы на элементы сложнопрофильного инструмента, что так же, как и во всех других двух случаях, ведет к увеличению радиуса скругления режущих кромок. Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что наибольшее влияние на изменение значений радиуса скругления режущих кромок резьбонарезного инструмента оказывает зернистость порошка, потом магнитная индукция, и наименьшее влияние оказывает время полирования (см. формулу 3.29).
Таким образом, в исследуемом диапазоне технологических параметров процесса МАП (зернистость порошка: 160…315 мкм; магнитная индукция: 0,6…1,0 Тл; время полирования: 60…210 с) радиус скругления режущих кромок сложнопрофильного инструмента изменяется в пределах = 26…64 мкм. Минимальные значения достигаются при магнитно-абразивном полировании с зернистостью порошка = 160 мкм, магнитной индукцией B = 0,6 Тл, временем полирования t = 60 с; максимальные – с зернистостью порошка = 315 мкм, магнитной индукцией B = 0,6 Тл и временем полирования t = 60 с.
Уменьшение шероховатости режущих кромок сложнопрофильного инструмента сопровождается уменьшением сил трения в процессе резания, а также способствует созданию благоприятных условий для работы инструмента [6]. Однако повышенная шероховатость режущих кромок после обычной заточки шлифованием существенно снижает их прочность. Выступы микронеровностей на кромках из-за малой их механической прочности разрушаются в первые секунды резания. Впадины микронеровностей являются местом зарождения микротрещин, разрастающихся в процессе резания и приводящих к образованию сколов [5].
Магнитно-абразивное полирование режущих инструментов позволяет не только снижать шероховатость контактных поверхностей режущего клина, но и удалять дефектный слой, образовавшийся при изготовлении (заточке) инструментов, с последующим формированием нового упрочненного слоя [6]. Все это в совокупности ведет к улучшению процесса резания и повышению эксплуатационных свойств контактных поверхностей зубьев резьбонарезного инструмента. Вследствие этого поставлена задача проведения экспериментальных исследований по изучению влияния процесса магнитно-абразивного полирования на изменение шероховатости режущих кромок сложнопрофильного инструмента.
Стоит отметить, что кромка режущего инструмента, как и кромка на любом другом предмете, является результатом пересечения двух поверхностей [5], шероховатость которых в процессе взаимодействия инструмента с заготовкой изменяется (ухудшается) [21]. При резьбонарезании метчиком наибольшие изменения шероховатости происходят на задних поверхностях. Ухудшение шероховатости на задних поверхностях сопровождается появлением обширных налипов обрабатываемого материала, которые оказывают существенное влияние на точность профиля нарезаемой резьбы и приводят к сколам и выкрашиваниям режущих профилей, к поломкам метчиков [21]. В связи с этим в данном исследовании наибольшее внимание уделено шероховатости задних поверхностей режущих кромок сложнопрофильного инструмента.
Исследование влияния технологических параметров процесса МАП на шероховатость задних поверхностей режущих кромок сложнопрофильного инструмента проведено по описанной в разделе 3.1 методике. Расчеты были выполнены таким же образом, как это было сделано в разделе 3.2.1. Рассчитанные среднее арифметическое, построчная дисперсия для каждого опыта, сумма построчных дисперсий, G – критерий Кохрена и дисперсия опыта сведены в таблицу 3.5.