Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 11
1.1. Современное состояние и направления развития в области металлообработки при изготовлении и восстановлении деталей с резьбой техники сельскохозяйственного назначения 11
1.2. Способы изготовления резьбы 17
1.3. Анализ работ, выполненных в области повышения усталостной долговечности деталей машин 35
1.4. Формирование эксплуатационных свойств деталей методом электромеханической обработки 44
1.5. Цель и задачи исследований 46
2. Теоретические основы отделочно-упрочняющей электромеханической обработки впадины наружной резьбы деталей 48
2.1. Теоретические основы применения технологии электромеханической обработки для повышения усталостной долговечности резьбовых соединений 48
2.2. Тепловые процессы и расчет глубины упрочнения при отделочно-упрочняющей обработке впадины резьбы 56
2.3. Расчет площади пятна контакта инструментального ролика с впадиной наружной метрической резьбы 58
2.4. Определение усилия внедрения инструмента при отделочно-упрочняющей электромеханической обработке впадины наружной метрической резьбы 61
Выводы 63
3. Общая методика исследований 65
3.1. Методика лабораторных исследований 65
3.1.1. Оборудование, материалы, инструмент и оснастка для электромеханической обработки крепежных деталей 65
3.1.2. Приборы для исследования геометрии, структуры и физико-механических свойств поверхностей 69
3.2. Методика экспериментальных исследований 71
3.3. Методика эксплуатационных испытаний 73
Выводы 74
4. Результаты экспериментальных исследований 75
4.1. Структура и физико-механические свойства резьбы после электромеханической обработки 75
4.2. Результаты сравнительных испытаний на усталость резьбы шпилек после электромеханической обработки 81
4.2.1. Сравнение резьбы шпилек нарезанной плашкой с резьбой производства ОАО «БелЗАН» 85
4.2.2. Результаты испытаний нарезанной резьбы с резьбой после отделочно-упрочняющей электромеханической обработки 86
4.2.3. Усталостная долговечность шпилек после электромеханической поверхностной закалки резьбы 87
4.2.4. Повышение усталостной долговечности шпилек отделочно-упрочняющей электромеханической обработки специальной впадины 88
4.2.5. Повышение усталостной долговечности резьбы шпилек электромеханической поверхностной закалки боковых поверхностей 89
4.2.6. Влияние комбинированной электромеханической обработки резьбы на усталостную долговечность шпилек 90
4.3. Основные факторы, влияющие на глубину упрочнения при электромеханической обработке 93
4.3.1. Влияние режимов электромеханической обработки впадины резьбы на глубину упрочненного слоя 95
Выводы 100
5. Разработка технологии электромеханической обработки наружной метрической резьбы деталей и эффективность результатов исследований 102
5.1. Общие принципы электромеханической обработкой наружной метрической резьбы шпилек 102
5.2. Повышение эксплуатационных свойств наружной метрической резьбы 105
5.3. Расчет экономической эффективности применения технологии отделочно-упрочняющей электромеханической обработки деталей 108
5.4. Практические рекомендации по применению технологии электромеханической обработки для повышения усталостной долговечности крепежных деталей 112
Выводы 115
Общие выводы 116
Литература
- Анализ работ, выполненных в области повышения усталостной долговечности деталей машин
- Тепловые процессы и расчет глубины упрочнения при отделочно-упрочняющей обработке впадины резьбы
- Приборы для исследования геометрии, структуры и физико-механических свойств поверхностей
- Результаты испытаний нарезанной резьбы с резьбой после отделочно-упрочняющей электромеханической обработки
Анализ работ, выполненных в области повышения усталостной долговечности деталей машин
Одна из задач стратегии технического сервиса АПК - повышение надежности вновь производимой и отремонтированной техники за счет разработки новых технологий с использованием современного оборудования. Уровень технологической оснащенности на отечественных ремонтно-технологических заводах и мастерских сельхозпроизводителей остается низким. Отсутствие эффективных технологий и современной документации, моральный и физический износ станочного оборудования, затрудняет и делает практически невозможным достижение высокого качества ремонта с обеспечением 100%-го ресурса.
Ежегодно в АПК ремонтируется около 50 % машинно-тракторного парка России. Из имеющегося на 2005 г. в наличие 603 тыс. тракторов, предусматривалось отремонтировать 301 тыс. тракторов, в том числе около 283 тыс. шт. в мастерских хозяйств и только 18 тыс. шт. в специализированных ремонтных предприятиях. На этот же период времени зерноуборочных и др. комбайнов было 187 тыс. шт., из которых 178 тыс. предполагалось отремонтировать в мастерских хозяйств.
Развитие технической базы предприятий АПК невозможно без создания и совершенствования ремонтно-технологических комплексов, призванных выполнять качественный ремонт существующего и нового поколения техники отечественного и зарубежного производства. Создание и развитие ремонтно-технологических комплексов в АПК связано с необходимостью качественного изготовления деталей и ремонта машин, в том числе, непосредственно в мастерских хозяйств. Далеко не последнюю роль в повышении эффективности сельскохозяйственного производства играет подготовка специалистов в агроинженерных вузах. В настоящее время будущие специалисты ориентированы на изучение и внедрение в производство технологий промышленного назначения, многие из которых не учитывают специфики изготовления и ремонта деталей в мастерских и цехах сельскохозяйственных предприятий. Полученные в сельскохозяйственных вузах знания не могут быть внедрены молодыми специалистами по месту своей деятельности, т.к. сельскохозяйственные предприятия не располагают тем оборудованием, оснасткой и технологиями, которые заимствованы из программы подготовки инженеров промышленного назначения. В своем большинстве эти технологии не предназначены для изготовления, и тем более, восстановления широкой номенклатуры единичных деталей. Улучшение физико-механических свойств единичных деталей объемной термической обработкой в условиях сельскохозяйственного производства не эффективно, т.к. отсутствуют методы окончательной механической обработки. Кроме того, на одной детали в различной комбинации находятся шлицевые, шпоночные, резьбовые и другие поверхности и, при объемной закалке, повышение качества одной из них приводит к снижению других эксплуатационных свойств, зачастую более важных, например, пластичность.
Техническая оснащенность и технологическая подготовка машиностроительных предприятий находится на более высоком уровне. Однако даже ремонтные службы промышленных предприятий не в состоянии качественно ремонтировать оборудование при износе целой группы ответственных деталей (длинные маложесткие валы и оси, детали типа труба, тонкостенные втулки, крупногабаритные детали, ходовые винты станков, изделия крепежной группы). Отсутствие эффективных технологий для закалки, упрочняющих и отделочно-упрочняющих операций, финишных способов обработки исполнительных поверхностей приводит к тому, что на энергонасыщенные машины и агрегаты устанавливают низкокачественные ремонтные детали. Срок службы таких деталей крайне низкий, и зачастую, не оправдывает те затраты, которые были сделаны на их приобретение, изготовление или восстановление. Такой ремонт техники дорого обходится предприятиям. Помимо видимых и ощутимых, зачастую не запланированных, расходов, предприятия несут убытки от простоя техники.
Термическая обработка (закалка). Этот способ применяется для повышения твердости поверхности детали. Для уменьшения хрупкости и снятия закалочных напряжений производят отпуск. Сочетание закалки с действием магнитного поля увеличивает прочность стали, так как кристаллы мартенсита принимают одну ориентацию во всех зернах. Поверхностная закалка применяется для повышения прочности и износостойкости деталей, работающих при ударной нагрузке, при этом основной металл детали остается незакаленным. Такая закалка производится токами высокой частоты и газопламенными горелками. Поверхностная закалка в электролите основана на нагреве детали искровыми разрядами через пароводородную оболочку, возникающую у поверхности нагреваемой детали (катода). При этом не образуется закалочных трещин. Обработка холодом применяется для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной легированной стали, так как остаточный аустенит снижает ее твердость и износоустойчивость. При этом стабилизируются размеры деталей, что очень важно для деталей прецизионных пар.
Химико-термическая обработка. Это технологический процесс, при котором происходит изменение химического состава, структуры и свойств поверхности металла. Обработка включает в себя азотирование, фосфатирование, анодирование, цианирование, сульфидирование, борирование, цементацию и другие.
Азотирование применяется для повышения износостойкости, твердости, коррозионной стойкости и жаропрочности деталей. Его производят в камере, заполненной газообразным аммиаком. При электрическом разряде аммиак распадается на ионы азота и водорода, которые начинают бомбардировать поверхность детали, вследствие чего азот насыщает поверхностный слой. Деталь является катодом, а анодом служат электроды. Так целесообразно обрабатывать шейки валов быстроходных дизелей.
Фосфатирование — насыщение рабочей поверхности фосфатами железа и марганца. Фосфатная пленка образуется в результате взаимодействия металла с дигидроортофосфатами железа и марганца. Она предохраняет детали от окисления при высоких температурах, поэтому необходимо фосфатировать рабочую поверхность цилиндровых втулок дизелей.
Цианирование заключается в одновременном насыщении поверхности металла углеродом и азотом. Применяется оно для повышения поверхностной твердости, износостойкости и усталостной прочности.
Тепловые процессы и расчет глубины упрочнения при отделочно-упрочняющей обработке впадины резьбы
Конструкция инструмента для профиленакатных станков. Накатывание методом радиальной подачи применяется при изготовлении резьбы и других профильных элементов на деталях с длиной резьбы, ограниченной шириной роликов. Диапазоны накатываемой резьбы: диаметр до 200 мм, шаг резьбы до 16 мм, длина резьбы до 250 мм. Резьбонакатные ролики являются прецизионным инструментом, который должен отвечать высоким требованиям в отношении точности, качества рабочих поверхностей и сопротивления износу. Ролики изготавливаются методом резьбошлифования на предварительно закаленной заготовке с твердостью 60...62 HRC. Они могут быть многократно перешлифованы по внешнему диаметру, что значительно сокращает расходы на инструмент.
Разработанная в последние годы система изготовления инструмента PSS позволила в значительной мере сократить время на наладку станка, так как при смене роликов не требуется настройка станка по витку. Это же дало возможность использовать комплект из четырех роликов для одновременной накатки двусторонней резьбы на шпильке.
Ролики для накатки «на проход». Накатывание методом осевой подачи применяют при обработке длинной резьбы (свыше 250 мм), которая не может быть получена методом осевой подачи. Применяемые при этом методе ролики имеют угол подъема винтовой линии, отличающийся (в большую или меньшую сторону) от угла подъема винтовой линии накатываемой резьбы, Поэтому заготовка в процессе накатывания получает перемещение вдоль своей оси. Скорость осевого перемещения заготовки зависит от конструкции роликов, их диаметра, а также частоты вращения роликов. Диапазон резьбы, накатываемой методом осевой подачи: диаметр до 200 мм, шаг резьбы до 16 мм, длина резьбы 2000 мм и выше. Область применения накатывания с осевой подачей - все детали с длиной резьбы выше 200 мм. Примером являются резьбовые шпильки с метрическим и трапецеидальным профилем, ходовые винты металлорежущих станков, ходовые винты затворов и кранов в арматурной промышленности.
В зависимости от конструкции резьбонакатного станка изготавливают и инструмент. Оптимальными для накатки «на проход» являются станки с наклонными шпинделями. Это позволяет использовать ролики с кольцевой нарезкой. Преимуществом этой конструкции является возможность одним комплектом роликов заданного шага накатывать правую и левую, однозаходную и многозаходную резьбу на детали различных диаметров. Таким образом, резьбы Трап 32 х 6 правая и Трап 36 х 6 левая вы можете накатывать одним комплектом инструмента.
Новейшей разработкой фирмы «РЕЕ-WEE» (Германия) является высокоскоростной резьбонакатной станок Р 24 Highspeed, предназначенный для накатки резьбовых шпилек диаметром от 4 до 30 мм. Специально сконструированная трансмиссия, принудительно смазываемые выносные подшипники позволили достичь частоты вращения шпинделя 600 об/мин. При использовании специальных роликов это дало возможность накатывать, например, резьбу Ml 2 на скорости до 28 м/мин. Полностью автоматизированное устройство загрузки заготовки и отвода готовой детали позволяет свести до минимума эти затраты времени.
На стойкость комплекта инструмента влияет ряд факторов, зависящих от характеристик обрабатываемых заготовок (марки стали, механических свойств, микроструктуры), накатного инструмента (конструкции, марки инструментального материала, механических свойств, режима термической обработки), состояния накатного оборудования и условий эксплуатации (режимов накатывания и охлаждения СОЖ). Причины выхода из строя накатного инструмента следующие: изнашивание по вершинам витков, выкрашивание витков рабочей части, выкрашивание торцовых фасок инструмента. Одним из важных мероприятий, уменьшающих вероятность выкрашивания торцовых кромок инструмента, является нанесение фаски на резьбовую часть заготовки. В зависимости от твердости материала наносится фаска с углом 15...20. В результате этого уменьшается действие осевой силы на последний виток резьбы ролика в процессе пластической деформации. Если при накатке конструкционных сталей этой операцией можно пренебречь, то при накатке материалов с пределом прочности более 800 МПа без фаски происходит выкрашивание профиля спустя короткое время. Для накатки резьбы с классом прочности 12.9, а также деталей из титановых и жаропрочных сталей на никелевой основе применяются ролики из быстрорежущих и специальных сплавов. Титановые и никелевые сплавы часто используются в авиационной промышленности и трудно поддаются деформации. Традиционно используемые ролики с накатанной резьбой не дают достаточной стойкости и при накатке некоторых жаропрочных сталей выкрашиваются спустя 100 деталей. Использование специальных твердосплавных материалов позволяет накатывать материалы с пределом прочности до 1500 МПа с достаточной стойкостью. Использование твердосплавных роликов целесообразно также во всех областях промышленности, где применяются материалы с пределом прочности более 1000 МПа. Так, например, при накатке резьбы М 24 х 1,5 болта подвески колеса грузовика с классом прочности 12.9 стойкость достигает 15 тыс. штук одним комплектом до перешлифовки.
Приборы для исследования геометрии, структуры и физико-механических свойств поверхностей
Эффект поверхностного пластического деформирования (ППД), наблюдаемый при отделочно-упрочняющей электромеханической обработке в условиях высокотемпературного нагрева и высокой скорости охлаждения, приводит к изменению микрогеометрии впадины наружной метрической резьбы. Вершины микронеровностей под действием температуры оплавляются, а под направленным силовым воздействием со стороны инструмента металл заполняет микровпадины. Металл впадин, находясь в условиях напряженного состояния, перемещается по пути наименьшего сопротивления, поднимаясь вверх. При этом радиус глубоких впадин увеличивается, а микронеровности приобретают плоские участки. Таким образом, поверхность приобретает форму, характерную для этапа нормальной эксплуатации, т.е. приработка поверхности происходит на стадии ее изготовления.
Одновременное протекание фазовых превращений с получением структуры закалки позволяет компенсировать изменение размера в результате ППД. При нагреве до температуры (900 - 1000) С и быстром охлаждении (2600 С/с) поверхностного слоя аустенит переходит в мартенсит. Удельный объем последнего больше, чем у аустенита в 1,046 раза. Следовательно, переход Fej-Fea переход приводит к увеличению размера поверхности, компенсируя тем самым его уменьшение в результате ППД.
В результате экспериментальных исследований было установлено, что наибольшее влияние на глубину упрочнения оказывают плотность тока, усилие прижатия инструмента к детали и скорость обработки. Для определения влияния каждого из вышеперечисленных факторов с учётом проведённых экспериментов были установлены предельные значения. Удовлетворительные результаты глубины упрочненного слоя для шпилек с диаметром 16 мм получили при отделочно-упрочняющей электромеханической обработке впадины наружной метрической резьбы на следующих режимах: плотность тока AI = 200 А/мм2, усилие прижатия инструмента Ри=250 Н, скорость обработки 1)д = 1,2 м/мин. Глубина упрочнения подбиралась таким образом, чтобы обеспечить закаленный поверхностный слой при сохранении исходной структуры и свойств нижележащих слоев металла, формирования благоприятной текстуры волокон металла с целью повышения усталостной прочности.
Исходная микротвердость материала составляла HJI 3000 МПа. Глубина упрочненного слоя определялась на шлифах по микротвердости. Опыты проводились с трёхразовой повторяемостью на разных режимах.
Чтобы объективно установить степень влияния каждого из вышеперечисленных факторов, получить максимум информации при минимуме затрат, применялся метод математического планирования эксперимента [55], который позволяет при минимальном количестве опытов получить математическую модель процесса. Такая модель может быть использована для нахождения необходимых режимов технологического процесса и управления им.
Математическая обработка производилась на ПЭВМ с использованием специально разработанной программы для определения критерия Кохрена и криволинейной множественной корреляции полнофакторного эксперимента, также применяли пакеты прикладных программ «Excel», «Statistika 6.0». Выбор и оптимизацию контролируемых параметров технологического процесса упрочнения впадины резьбы электромеханической обработкой выполняли в соответствии с методикой РДМУ-109-77.
Интервалы и уровни варьирования независимых факторов Наименование факторов Обозначение факторов Единица измерения Интервал варьирования Уровни факто] ров нижний основной верхний 1. Плотность тока, AI Xi А/мм2 50 150 200 250 2. Усилие в зоне контакта, Р х2 Н 50 200 250 300 3. Скорость обработки, 1)д Хз м/мин 0,4 0,8 1,2 1,6 Верхние и нижние уровни независимых факторов приведены в таблице 4.7.
В таблице 4.8 приведен полный план матрицы трёхфакторного эксперимента в трёх уровнях для натуральных и кодированных чисел. Матрица планирования отражает последовательность реализации всех возможных комбинаций факторов. В кодированном выражении факторов знак «+» означает, что в данном опыте данный фактор должен находиться на верхнем уровне, соответственно знак «-» означает, что фактор должен находиться на нижнем уровне. Реализация плана эксперимента проводилась в случайной последовательности, выбранной по таблице равномерно распределенных случайных чисел. По мере реализации плана, полученные действительные значения параметра оптимизации (отклики) записывались в графах Y,,Y2,Y3.
Результаты испытаний нарезанной резьбы с резьбой после отделочно-упрочняющей электромеханической обработки
Новые технологические процессы, использующие возникновение теплоты в материале от действия электрического тока основаны на применении электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частоты. Эти технологические процессы протекают с большой скоростью, обеспечивают высокое качество обработки материалов и поэтому экономически эффективны. Кроме того, их применение дает значительное улучшение условий труда, так как отсутствие плавильных и нагревательных печей, работающих на нефти или газе, снижает загазованность воздуха на рабочих местах, уменьшает интенсивность теплового излучения.
Применение технологии электромеханической обработки при отделочно-упрочняющей обработке резьбы деталей машин производится на токарно-винторезном станке. Непосредственно к станку и установке электромеханической обработки подводят электрический ток напряжением 380/220 В. Установка ЭМО на выходе преобразует электрические параметры напряжения и силы тока, делая их безопасными для оператора (напряжение изменяется от 0 до 9 В, сила тока достигает до 3000 А).
Указанное напряжение является безопасным для человека и позволяет выполнять операции электромеханической обработки, как в условиях ремонтного производства промышленных предприятий, так и в условиях мастерской сельскохозяйственного производства.
При электромеханическом упрочнении отсутствует электромагнитное излучение, оказывающее вредное воздействие на человека. Это связано с тем, что зона контакта скрыта от прямого наблюдения, а в процессе обработки наблюдается едва заметное красное пятно. Зона нагрева достигает температуры 900 ... 1000 градусов, однако она мала по сравнению с общим объемов детали и тепло отводится в тело холодных нижележащих слоев металла. Поэтому при ЭМО не происходит обезуглероживание или окисление поверхности и не образуется окалина, которую необходимо было бы собирать и транспортировать на утилизацию в специальных условиях.
Технология электромеханического упрочнения не имеет выбросов вредных веществ в атмосферу, не загрязняет почву и водоемы, не создает запыленности, задымленности, загазованности. При ее применении не используются нефтепродукты, не производится опасных электромагнитных излучений, радиоактивного заражения местности, нет отходов производства. Данная технология не оказывает вредного воздействия на человека и животных.
Сущность электромеханической обработки металлов основано на одновременном силовом и термическом воздействии инструмента на обрабатываемую поверхность изделия. Термическое воздействие создается в зоне локального нагрева от действия электрического тока промышленной частоты 50 Гц. Зона высокотемпературного воздействия скрыта от визуального наблюдения. Оператор, работающий на токарно-винторезном станке и выполняющий процессы электромеханической обработки, наблюдает лишь красное пятно вдоль периметра инструмента. Контроль режимов обработки производится по приборам, установленным на лицевой панели установки электромеханической обработки, либо на специальном выносном пульте управления.
Согласно теории электромагнитного поля пространство около источника переменного электрического или магнитного полей делится на две зоны: ближайшую зону, или зону индукции и зону излучения, которая находится на расстоянии R у/6, где у- длина волны излучения.
В зоне индукции еще не сформировалась бегущая электромагнитная волна и электрическое и магнитное поле можно считать независящими друг от друга, поэтому нормирование в этой зоне ведется как по электрической, так и по магнитной составляющими электромагнитного поля. В зоне излучения поле характеризуется бегущей электромагнитной волной, наиболее важным параметром которой является плотность потока мощности. Нормирование в этой зоне ведется по интенсивности, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния до точечного источника.
Поскольку установка электромеханической обработки собрана в специальном металлическом шкафу, являющимся защитным экраном, а мощность излучения трансформатора минимальна, то вредного воздействия технология электромеханической обработки на оператора не оказывает.
В настоящее время для установок ЭМО применяются специальные трансформаторы промышленного производства, выполненые в специальной защитной оболочке с водоохлаждающим внутренним контуром. Такие установки имеют двойную защиту и не оказывают вредного воздействия на оператора.
Вблизи источника излучения в диапазоне от 50 Гц электромагнитное поле можно рассматривать как совокупность практически независимых электрического и магнитного полей. Поэтому приборы, работающие в этом диапазоне, должны измерять порознь напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля. Для этого используют приборы, измерители электромагнитного поля типа ИЭМП-1.
В технологическом направлении предлагаемый способ выгодно отличается от существующих способов закалки. При ЭМО отсутствуют: окисление и обезуглероживание поверхности, не возникает окалина, не применяются расплавы солей или щелочи, не выделяются вредные газы и испарение химически вредных веществ, не загрязняет технологическую жидкость. Поскольку операция ЭМО является заключительной, то предлагаемая технология не оказывает вредного и опасного воздействия на оператора и ее можно использовать, как в условиях промышленных предприятий, так и в мастерских сельскохозяйственных организаций. Причем, для этого не требуется создания особых условий и специальных помещений.
