Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ ранее выполненных работ в области технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя деталей машин
1.1 Формирование равновесных параметров качества поверхностного слоя деталей машин
1.2 Взаимосвязь технологических условий механической обработки с параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
1.3 Выводы по главе 1, цель и задачи исследования 36
Глава 2. Теоретический анализ возможности расчета интенсивности изнашивания по известным параметрам качества поверхностного слоя деталей машин после механической обработки 39
2.1. Получение обобщенных расчетных зависимостей влияния равновесных параметров качества поверхностного слоя (шероховатости поверхности и степени наклепа после механической обработки) на износостойкость контактируемых поверхностей
2.2 Анализ обобщенного уравнения взаимосвязи интенсивности изнашивания с равновесными параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
2.5 Выводы по главе 2
Глава 3. Экспериментальное исследование интенсивности износа контактируемых поверхностей после механической обработки в процессе приработки и выходе сопряжения на нормальный режим работы
3.1 Материалы образцов для исследований 60
3.2 Выбор методов экспериментального исследования 61
3.2.1 Методика измерения шероховатости поверхности 64
3.2.2 Методика измерения микротвердости поверхностных слоев
3.3 Методика измерения интенсивности изнашивания
3.4 Результаты экспериментальных исследований интенсивности износа контактируемых поверхностей при обработке лезвийным инструментом
3.5 Исследования закономерностей формирования шероховатости при плоском шлифовании - подготовительный этап разработки алгоритма расчетного определения технологических условий обработки по заданному значению интенсивности износа
3.6 Выводы по главе 3
Глава 4. Практическое использование результатов исследования
4.1 Алгоритм расчетного определения технологических условий обработки по заданному значению интенсивности износа
4.1.1 При точении 93
4.1.2 При фрезеровании 94
4.1.3 При шлифовании 94
4.2 Пример расчета технологических параметров для конкретных условий обработки
4.3 Выводы по главе 4 *А ^
Общие выводы по работе 120
Список использованных источников 122
Приложение 134
- Взаимосвязь технологических условий механической обработки с параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
- Анализ обобщенного уравнения взаимосвязи интенсивности изнашивания с равновесными параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
- Методика измерения интенсивности изнашивания
- Алгоритм расчетного определения технологических условий обработки по заданному значению интенсивности износа
Введение к работе
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАНЕЕ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Формирование равновесных параметров качества поверхностного 10 слоя деталей машин
Взаимосвязь технологических условий механической обработки 23 с параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
Выводы по главе 1, цель и задачи исследования 36
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ РАСЧЕТА
ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ ПО ИЗВЕСТНЫМ
ПАРАМЕТРАМ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН ПОСЛЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 39
2Л Получение обобщенных расчетных зависимостей влияния равновесных параметров качества поверхностного слоя (шероховатости поверхности и степени наклепа после механической обработки) на износостойкость контактируемых поверхностей
2.2 Анализ обобщенного уравнения взаимосвязи интенсивности изнашивания с равновесными параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
2.5 Выводы по главе 2
Взаимосвязь технологических условий механической обработки с параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
Вопросам определения взаимосвязи между параметрами качества поверхностного слоя и эксплуатационными свойствами посвящены труды В. Ф. Безъязычного [41, 47, 48], А. В. Боярникова [49], Т. Д. Кожиной [48, 50], А. А. Маталина [51], В. С. Мухина, Д. Д. Папшева, В. П. Погодаева [52], Л. Ю. Пружанского [53], Э. В. Рыжова [16], С. В. Сорокина [54], A. М. Сулимы [55], А. Г. Суслова [17, 18], О. Н. Федонина, Е. Н. Фролова, B. А. Шулова, А. Н. Щербакова, Ю. Д. Ягодкина [55] и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин на стадии конструктор ско-технологической подготовки производства определяет решение двух задач: - выбор материала деталей и обоснованное назначение точности размеров и параметров состояния поверхностного слоя, которые бы обеспечили требуемые эксплуатационные свойства; - установление оптимальных режимов обработки, обеспечивающих наиболее экономичное получение заданной точности размеров и системы параметров поверхностного слоя деталей.
Первая из них является задачей конструктора, вторая - технолога. Результаты решения задачи конструктора являются частью исходных данных задачи технолога. Решение первой было предложено А. Г. Сусловым в виде структурной схемы, представленной нарис. 1.14 [18].
Задача нахождения условий механической обработки деталей (подачи S, скорости резания V, глубины резания /, геометрических параметров инструмента и т.д.), обеспечивающих требуемые эксплуатащюнные показатели деталей машин через контроль показателей качества поверхностного слоя и точность обработки является типичной задачей теории оптимизации математического программирования. Оптимизируемой системой при этом считается процесс обработки детали на станке, в результате которого ее поверхностный слой приобретает комплекс физико-механических свойств, описываемых выбранными показателями качества. "K/Іатериальі деталей, точность размеров, параметры состояния сопрягаемых поверхностей и допустимые пределы их изменения, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства соединений деталей машин Условия существующего производства (имеющееся оборудование, инструмент, оснастка и т. д.) Выбор возможных методов обработки с учетом особенностей конкретного производства
Зависимости параметров состояния поверхностного слоя деталей машин от условий их обработки для всех технологических методов Расчет условий обработки для каждого выбранного технологического метода, обеспечивающих требуемые параметры состояния обработанных поверхностей нет Расчет себестоимости выбранных технологических методов для определенных условий обработки Выбор метода и условий обработки с минимальной технологической себестоимостью
При проектировании технологической операции с использованием расчетных методов назначения технологических условий обработки закладываются решения, обеспечивающие заданные эксплуатационные показатели. На первом этапе - этапе внешней оптимизации - создаются предпосылки получения требуемых эксплуатационных характеристик. При резании на параметры процесса обработки и показатели качества обработки деталей оказывает влияние большое количество факторов: износ режущего инструмента, колебания припуска и твердости поверхностного слоя заготовки и т. д. Второй этап оптимизации операций обработки деталей - этап внутренней оптимизации - предполагает получение требуемых эксплуатационных показателей через контроль расчетных показателей точности и качества обрабатываемых поверхностей на стадии выполнения операции за счет использования системы управления процессом обработки, позволяющей учитывать влияние возмущающих воздействий и выполнять регулирование процесса резания.
А. В. Боярниковым была разработана программа расчета на ЭВМ характеристик качества обработанной поверхности, стружкообразования, трения и изнашивания, основанных на моделировании взаимосвязи этих процессов для повышения эффективности чистового точения [49].
В. П. Погодаев исследовал влияние режимов вибронакатывания на величину весового износа при обработке поверхности с предварительным нанесением на нее твердой смазки [52]. Нанесение твердой смазки перед виброобкатыванием дает снижение сил трения и уменьшение износа виброинструмента, влияет на весовой износ.
Анализ влияния вида отделочной обработки на интенсивность изнашивания вкладышей из свинцовистой бронзы и баббита Б-83 показывают, что наиболее перспективным отделочным процессом для этих целей является микрошлифование [57]. В результате высокой скорости обработки, по сравнению с шлифованием и другими видами обработки, выделяемое тепло равномерно распределяется по обрабатываемой поверхности и обеспечивает отсутствие структурных превращений в поверхностном слое обрабатываемой детали.
Анализ обобщенного уравнения взаимосвязи интенсивности изнашивания с равновесными параметрами качества поверхностного слоя деталей машин
Для анализа обобщенного уравнения рассчитаем интенсивность изнашивания, изменяя параметры наклепа и шероховатости, при различных нагрузках. В качестве примера для расчета выбираем материалы из разных групп: ШХ15 и ЭИ961 (физико-механические свойства материалов приведены в табл. 1 приложения 1 с учетом данных [80]), как материалы, наиболее часто применяемые в конструкциях различных узлов трения. Сталь ШХ15 находит свое применение при изготовлении шариков, роликов, колец подіпипников; втулок плунжеров, нагнетательных клапанов, роликов толкателей и других деталей, от которых требуется высокая твердость и износостойкость. Сталь ЭИ961 применяется в изготовлении обойм затворов, тарелок задвижек, шпинделей для ТЭЦ; сферических подшипников в авиастроении и других деталей, критерием эксплуатации которых являются высокие прочностные характеристики.
Для понимания взаимосвязи интенсивности изнашивания и степени наклепа поверхностного слоя в диапазоне равновесной шероховатости для выбранных нами для расчета материалов проанализируем графики на рис. 2.6 и рис. 2.7.
С увеличением степени наклепа интенсивность изнашивания монотонно уменьшается. Это связано с тем, что процесс работы сопровождается пластической деформацией поверхностного слоя, изменяется степень наклепа поверхностного слоя. Причем, даже при достижении равновесного состояния процесс упрочнения поверхностного слоя будет продолжаться, но с меньшей интенсивностью (что мы и наблюдаем на данных графиках, интенсивность изнашивания практически не изменяется на фоне возрастания степени наклепа поверхностного слоя), до момента наступления перенаклепа, когда в силу вступают в полной мере усталостные процессы, проходящие в материале, и степень пластической деформации поверхностного слоя превзойдет определенное значение для данного материала, и переупрочненные и охрупченные зоны материала начнут отслаиваться, начнется процесс его разрушения [11, 46]. Кривая интенсивности изнашивания может быть аппроксимирована экспоненциальной зависимостью от степени наклепа.
На основании вышеизложенных материалов исследования можно сделать следующие выводы: 1. Полученное на основе энергетического подхода к проблеме определения взаимосвязи интенсивности износа контактируемых поверхностей деталей машин с параметрами качества поверхностного слоя обобщенное уравнение взаимосвязи интенсивности износа с геометрическими (шероховатость) и физико-механическими (степень наклепа) параметрами качества поверхностного слоя деталей машин в условиях нормальной работы узла позволяет рассчитать интенсивность износа в равновесном состоянии сопрягаемых деталей машин с учетом технологических условий механической обработки,
2. Анализ возможности применения полученного обобщенного уравнения взаимосвязи интенсивности изнашивания с равновесными параметрами качества поверхностного слоя, в ходе которого были рассмотрены возможные диапазоны равновесных значений шероховатости и степени наклепа поверхностного слоя контактирующих элементов, позволил выявить степени влияния геометрических и физико-механических параметров качества поверхностного слоя на интенсивность изнашивания деталей сопряжения с учетом силы взаимодействия контактирующих элементов и свойств применяемых материалов.
3. Анализ графических зависимостей интенсивности изнашивания с параметрами качества поверхностного слоя, полученных с использованием обобщенного уравнения, показал, что предложенная теоретическая зависимость не противоречит современным представлениям о трении и износе и позволяет рассчитывать интенсивность износа контактируемых деталей машин после выхода на нормальный режим работы.
Методика измерения интенсивности изнашивания
Проведение экспериментов сведено к определению равновесной шероховатости поверхностного слоя образцов и равновесного наклепа, выраженного мшфотвердостью поверхностного слоя материала образцов при разных силах взаимодействия контактирующих элементов. Выполнение экспериментальных исследований с учетом рекомендаций [91, 92] проводилось в следующем порядке:
1. Машина трения СМЦ-2 подготавливалась к работе по схеме трения диск-диск согласно техническому описанию и инструкции по эксплуатации Гб 2.779.005 ТО: скорость вращения нижнего образца устанавливалась равной п = 300 об/мин путем перестановки ремня клиноременной передачи;
2. Образцы взвешивались на микроаналитических весах WA-31. Шероховатость поверхности измерялась по образующей цилиндрического ролика (поперечная шероховатость) многократно в разных местах по окружности с помощью профилографа-профшюметра TR-200, затем определялось среднее значение Rz. Микротвердость поверхностных слоев образца определялась на микротвердомере ПМТ-ЗМ, замеры проводились в 8 плоскостях по окружности по 5 замеров в каждой плоскости по ширине образца, как показано на рис. 3.10, затем определялось среднее значение микротвердости ЯК Степень наклепа JV рассчитывалась по формуле.
3. Образцы с замеренными параметрами качества поверхностного слоя устанавливались на машину трения СМЦ-2 и испытывались при разных силах взаимодействия контактирующих элементов для каждой пары образцов из выбранных материалов. 4. Испытания проводились до достижения установившегося режима, критерием которого являлась стабилизация момента трения, регистрируемая на дисплее ЭВМ, подключенной к СМЦ-2 через блок аналого-цифрового ввода-вывода А410.
5. Образцы снимались с машины, производился замер равновесных параметров поверхностного слоя: шероховатости и микротвердости. Определялась расчетная интенсивность изнашивания по теоретической зависимости (2.19) путем подстановки полученных величин шероховатости і равн и степени наклепа NpaBH.
Результаты расчетного и экспериментального определения интенсивности изнашивания образцов в условиях равновесного состояния приведены в таблице 3.2. Анализ результатов показывает, что погрешность расчета по предложенной зависимости (2.19) не превышает 12% с учетом ввода поправочного коэффициента Kj для разных групп материалов. Остальные экспериментальные данные представлены в табл. 2-29 приложения.
Величина коэффициента Kj (табл. 3.2) характеризует способность материала сопротивляться пластическому деформированию и разрушению в процессе трения и непосредственно связана с его механическими свойствами: пределом прочности сів, условным пределом текучести с допуском на величину пластической деформации при нагружении 0,2% Go,2 И относительным удлинением 8 (табл. 3.3).
Анализ результатов показывает, что в начале имеет место резкий подъем в сторону увеличения Rz (рис. 3.13) и увеличение ЯГ (рис. 3.14), в дальнейшем наступает стабилизация шероховатости и микротвердости, обусловленная наступлением равновесного состояния данной пары трения в имеющихся условиях работы. Первая стадия работы сопряжения характеризует приработку поверхностей - неравновесную стадию процесса изнашивания, доля которой в общем ресурсе времени работы сопряжения мала. Она характеризуется значительной интенсивностью изнашивания, которая по мере работы сопряжения снижается.
Алгоритм расчетного определения технологических условий обработки по заданному значению интенсивности износа
Анализ влияния на интенсивность износа параметров шероховатости и степени наклепа поверхностного слоя деталей машин показывает, что совместное управление этими показателями позволяет повысить надежность деталей машин. Поэтому важным аспектом решения такой задачи является разработка алгоритма расчетного определения технологических условий механической обработки с целью обеспечения износостойкости поверхностного слоя деталей машин. Такой алгоритм позволяет технологу на стадии проектирования технологического процесса определять режимы механической обработки, в результате которых в детали формируется поверхностный слой с определенными геометрическими и физико-механическими свойствами, сокращающими время приработки деталей узла трения. Схема алгоритма в общем виде представлена на рис. 4.1 Работа алгоритма заключается в следующем:
Вводятся данные по материалу детали: модули сдвига G и нормальной упругости Е, мшфотвердость поверхностного слоя материала HVo, а также условия работы детали в узле: сила взаимодействия элементов пары трения F, коэффициент трения материалов контактной пары / и параметр междислокационного взаимодействия ао.
По формуле (3.11) производится расчет интенсивности изнашивания Jv и соответствующих ей параметров качества поверхностного слоя в равновесном состоянии (степени наклепа N и шероховатости Rz).
В реальных условиях поверхностный слой формируется при одновременном воздействии теплового и силового факторов, обусловленных технологическими условиями обработки [48]: \JxZiGocminc\— J lo,l,r , р д ,1 р,(7 ,(7 g,L, д,Т р, /?j,Qf,Qf рпМ где аост - остаточные напряжения; hc - глубина наклепа; Rz - высота неровностей; V- скорость резания; S — подача; t — глубина резания; ат, Ед, тр -предел текучести, модуль упругости и сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу соответственно; рд и ц - коэффициент температурного линейного расширения и коэффициент Пуассона обрабатываемого материала; К и Хр - коэффициенты теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов; 6 - температура плавления обрабатываемого материала; а и у - задний и передний углы резца; ф и фі - главный и вспомогательный углы в плане; г - радиус при вершине резца в плане; pi - радиус округления режущей кромки резца; В і и Н\ - ширина и высота резца; Lp - длина выступающей части резца из резцедержателя; Н — размер обрабатываемой детали; Гр - технологический допуск на размер обрабатываемой детали; А,ст - коэффициент теплопроводности материала державки резца; осі и ар - коэффициенты теплоотдачи обрабатываемого материала и материала державки резца; 5i - величина износа резца по задней поверхности; jcllCT - жесткость технологической системы СПИЗ; ав - предел прочности обрабатываемого материала; pi - коэффициент температурного линейного расширения инструментального материала; а -температуропроводность обрабатываемого материала. Данные параметры были учтены в разработанном программном обеспечении учеными РГАТА имени П. А. Соловьева «Расчет технологических условий токарной обработки, обеспечивающих заданные эксплуатационные показатели деталей» [93]. На основании данного программного обеспечения рассчитываются параметры лезвийной обработки: глубина резания t, подача S, скорость резания V.
Расчет параметров обработки фрезерованием производится по программному обеспечению, разработанному А. Е. Лицовым, «Определение технологических условий обработки сложно-профильных деталей с учетом геометрии детали, заданной точности, физико-механических характеристик инструментального и обрабатываемого материалов» [94]. При расчете технологических условий обработки по данному программному обеспечению учитывается жесткость детали в каждой точке, износ инструмента, его влияние, на силу резания и величину пластических деформаций, вносимых в поверхностный слой. В результате рассчитывается величина снимаемого припуска на операции, величина поперечной подачи на ход, рассчитанная исходя из поперечной шероховатости и геометрии инструмента; величина подачи на зуб фрезы; частота вращения шпинделя.
В настоящей работе предлагается алгоритм расчета режимов плоского шлифования периферией круга по заданным величинам параметров качества поверхностного слоя деталей машин: шероховатости поверхности, параметрам наклепа, отсутствию прижогов - на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса шлифования и математического моделирования процесса формирования параметров состояния поверхности. В работе Н. С. Рыкунова предложен метод назначения режимов шлифования, позволяющий по заданным значениям глубины и скорости шлифования определить минимально допустимую подачу, обеспечивающую отсутствие дефектов в поверхностном слое деталей [95]. Методика назначения бездефектных режимов шлифования заключается в задании глубины шлифовашія t, максимальной температуры на поверхности шлифуемой детали т и определении значения продольной подачи детали V\ превышение которого приводит к исчезновению прижогов или микротрещин на поверхности детали. Верхний предел значений скорости подачи согласно реішмендациям [96] ограничивается требованиями по шероховатости или наличием вибраций и потребной мощностью шлифования.
В исследовании М. А. Прокофьева решение задачи оптимизации режимов шлифования по заданным величинам параметров наклепа решается на основе энергетического критерия КЕ, характеризующего качество поверхностного слоя деталей и отражающего долю скрытой энергии деформации (Wa, Дж) в общей работе шлифования (Аш, Дж) [96]. Практическая ценность критерия КЕ заключается в том, что если известна энергия воздействия (совокупность режимов механической обработки), то можно определить уровень скрытой энергии деформации в деформированном слое и связанные с ней показатели качества поверхностного слоя материала детали: степень наклепа и плотность дислокаций.
Программное обеспечение позволяет выполнить расчет режимов плоского шлифования периферией круга по заданным величинам параметров качества поверхностного слоя деталей машин: шероховатости поверхности, параметрам наклепа, отсутствию прижогов - на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса шлифования и математического моделирования процесса формирования параметров состояния поверхности для следующих материалов: конструкционной стали СтЗ, инструментальной стали У7, быстрорежущей стали Р9К5, жаропрочного сплава на никелевой основе ХН77ТЮР.
