НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

ДМИТРІЄВ ДМИТРО ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 621.941.1:621.892

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ОБРОБКИ ДОВГОМІРНИХ

ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНЕВИМ ПЛАСТИЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ З

ВИКОРИСТАННЯМ ПОЛІМЕРВМІСНИХ МОТЗ

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі основ конструювання в Херсонському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор технічних наук

Сошко Олександр Іванович, Херсонський державний технічний університет,

професор кафедри "Основи конструювання". |

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук,

професор Гавриш Анатолій Павлович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри "Технологія машинобудування"

кандидат технічних наук, доцент Кирилович Валерій Анатолійович,

Житомирський державний технологічний університет, декан факультету "Інформаційно-комп'ютерні технології" |

Провідна установа:

Одеський Національний політехнічний університет кафедра "Технологія машинобудування" Міністерства освіти і науки України, м. Одеса |

Захист відбудеться "20" жовтня 2003р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.11 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ-56, проспект Перемоги, 37, корпус 1, ауд. 214-1

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий " 11 " вересня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради д.т.н., проф. Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Умови ринкової економіки вимагають від сучасних машинобудівних підприємств України впровадження прогресивних технологій, що забезпечували б отримання виробів підвищеної якості без значних капіталовкладень.

Фінішні операції верстатної обробки складають більшість витрат будь якого технологічного процесу виготовлення металевих деталей. Клас довгомірних циліндричних деталей охоплює широку номенклатуру і потребує бути забезпеченим комплексом експлуатаційних вимог, які задають на фінішних операціях. Найбільш зручні з боку досягнення заданої якості поверхні є методи поверхневого пластичного деформування (ППД). Основною перепоною в продуктивності і точності обробки довгомірних деталей є підвищені робочі навантаження на операціях ППД. Знизити установочні зусилля і полегшити деформування без погіршення якості дозволяють спеціальні технологічні середовища із вмістом поверхнево-активних речовин. В цьому напрямку значну перспективу мають мастильно-охолоджуючі технологічні засоби (МОТЗ) на базі високомолекулярних сполучень.

Але на сучасному етапі відсутня методика нормування верстатних режимів для прогнозування якості на стадії розробки технологічного процесу ППД із використанням МОТЗ. Значна розбіжність уявлень про поведінку полімервмісних МОТЗ в зоні металообробки залишає практично не визначеними оптимальний склад полімервмісного МОТЗ, тип операції, режими і сам процес обробки, властивості матеріалу обробки і обробного інструменту, при яких можливе максимальне підвищення ефективності їх застосування. Тому раціональний вибір і використання високоефективних полімервмісних МОТЗ можливе тільки при глибокому теоретичному та експериментальному вивченні природи їх дії стосовно умов верстатної обробки. А визначення науково обгрунтованих рекомендацій щодо забезпечення якості обробки довгомірних деталей поверхневим пластичним деформуванням в полімервмісному МОТЗ є актуальною проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження проводились у відповідності з тематичною програмою науково-дослідної роботи Херсонського державного технічного університету, яка затверджена рішенням експертної ради Міністерства освіти і науки України, протокол №2 від 04.11.98р. Результати роботи є складовою частиною держбюджетного договору, номер державної реєстрації 0199И001112 за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки "Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології", наведеним у Постанові Верховної ради України №2705 від 16.10.92р.

Особистий внесок автора полягає у визначенні умов руйнування полімерів в робочих розчинах і вплив поверхнево-активних речовин на промислове устаткування.

Мета і задачі роботи. Підвищення якості обробки довгомірних деталей поверхневим пластичним деформуванням за рахунок зниження робочих навантажень шляхом використання рідинних полімервмісних МОТЗ з урахуванням зв’язку механо-хімічного впливу МОТЗ з верстатними режимами обробки.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити такі задачі:

– розробити динамічні і математичні моделі процесу обробки довгомірних деталей поверхневим пластичним деформуванням;

– проаналізувати базовий асортимент сучасних МОТЗ для операцій поверхневого пластичного деформування здатних підвищити якість обробки;

– визначити імовірний склад і перетворення поверхнево-активних сполук полімервмісного МОТЗ в осередку пластичного контакту металів при обкатуванні роликом та їх вплив на формування характеристик міцності поверхневих шарів оброблюваних поверхонь;

– отримати аналітичні залежності технологічного забезпечення геометричних і фізико-механічних параметрів стану поверхневого шару зовнішніх поверхонь обертання, оброблених обкатуванням роликом за токарною схемою з використанням полімервмісних МОТЗ;

– перевірити експлуатаційні властивості обробного інструменту для оздоблювально-зміцнювальних операцій на токарному верстаті в МОТЗ з полімерними добавками;

– провести промислові випробування результатів роботи.

Об’єкт дослідження – оздоблювально-зміцнювальна технологія обробки довгомірних циліндричних деталей шляхом обкатування роликом із використанням МОТЗ.

Предмет дослідження – якість оброблених поверхонь і вплив МОТЗ на якість.

Методи дослідження. Верстатна обробка поверхневим деформуванням за токарною схемою із використанням МОТЗ є складним процесом, що проходить в нетрадиційних умовах. Тому для досліджень силових, жорсткостних і якісних показників було використано:

– аналітичні методи розрахунку пружних статичних відтиснень і динамічних коливань системи верстат-пристосування-інструмент-деталь з реалізацією розрахункового експерименту за допомогою комп’ютерної техніки;

– геометрично-аналітичний підхід для розрахунку мікропрофілю отримуваних поверхонь;

– методи, сформовані державними стандартами вимірювання параметрів стану поверхневих шарів оброблених поверхонь.

Вплив МОТЗ досліджувався за допомогою:

– математично-статистичного метода проведення багатофакторного експерименту;

– Оже-електронного спектрального аналізу;

– растрового електронно-мікроскопічного аналізу і металографічних досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Теоретично і експериментально доведено можливість зниження зусилля навантаження інструменту для верстатних операцій поверхневого деформування без втрат показників продуктивності і шорсткості з технологічним забезпеченням на прикладі використання масляного МОТЗ з добавкою поліетилену.

2. Розроблена методика експериментально-аналітичного визначення ефективності МОТЗ при обробці ППД за токарною схемою, з розрахунком очікуваних параметрів шорсткості, на основі оцінки розмірів профілю лунки накатаної без поздовжньої подачі. Для прогнозування рівня зміцнення поверхневих шарів під впливом МОТЗ запропоновано додатковий режимний параметр – кратність докладання навантаження і виведені залежності його взаємозв’язку з якістю оброблених поверхонь.

3. Вперше експериментально зафіксовано присутність атомарного водню при обкатуванні роликом з полімервмісним МОТЗ, що викликає утворення окремої поверхневої фази з новою структурою підвищеної міцності глибиною до 50 мкм.

4. Запропоновані уточнені аналітичні та емпіричні залежності для визначення параметрів якості обробки довгомірних циліндричних деталей з використанням ППД і полімервмісних МОТЗ.

5. Розроблені динамічна і математична моделі процесу обробки довгомірної циліндричної деталі шляхом обкатування роликом з врахуванням податливості місць закріплення – затискного патрона і задньої бабки, що змінює пружну лінію деталі, її розміри і форму поперечного перерізу при різних схемах і режимах обробки.

Практична цінність роботи. На основі проведених досліджень розроблені рекомендації для машинобудівних виробництв в визначенні резервів скорочення технологічного циклу за рахунок:

- інтенсифікації режимів механічної обробки;

- зменшення витрат на відновлення і заміну обробного інструменту;

- підвищення якісних і експлуатаційних характеристик металевих виробів.

Запропоновані практичні показники щодо спрямованого використання полімервмісного МОТЗ в технології механічного зміцнення, як генератора атомарного водню в зоні обробки.

В умовах ЗАТ Херсонський судноремонтнобудівний завод ім. Комінтерна проведені промислові випробування результатів роботи і рекомендовано у виробництво застосування добавки поліетилену до МОТЗ для механічного зміцнення пальців грейферних ковшів і робочих шийок гребних валів суден загального технічного призначення. Для дослідженої полімерної добавки до МОТЗ сформульовані вимоги, що подаються з метою оптимізації елементів режиму обробки ППД.

Особистий внесок здобувача полягає: в постановці і обгрунтуванні задач дослідження; критичному аналізі науково-технічної і патентної інформації, сучасних проблем застосування МОТЗ при механічній обробці металів; розробці шляхів їх вирішення; теоретичному дослідженню динаміки процесу обробки і можливості підвищення якості та експлуатаційних властивостей деталей оброблених ППД в полімервмісному МОТЗ; виконанні експериментальних досліджень в лабораторних і промислових умовах; науковому обгрунтуванні отриманих результатів і формулюванні висновків.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на:

- Міжнародній науково-технічній конференції “Современные проблемы машиностроения и технический прогресс”, м. Севастополь, 1996 р.;

- Всеукраїнській науково-технічній конференції “Перспективні технології та обладнання обробки тиском в металургії та машинобудуванні”, м. Краматорськ, ДДМА, 1998 р.;

- Міжнародній конференції "Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок", м. Запоріжжя ЗДТУ, 2000 р.;

- розширених засіданнях кафедри “Технологія машинобудування” НТУУ “КПІ”, наукових семінарах кафедр “Основи конструювання” і "Технологія машинобудування" ХДТУ.

Публікації за темою дисертації. За результатами досліджень опубліковано 10 друкованих праць, в тому числі 7 статей в провідних фахових виданнях і один патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація викладена на 165 сторінках машинописного тексту, містить 14 таблиць, 53 рисунки і складається з вступу, п’яти розділів, висновків та додатків. Список використаних наукових джерел охоплює 189 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, розкрито сутність і стан наукової проблеми та її значення, обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, встановлено наукове та практичне значення одержаних результатів, охарактеризовано об’єкти та методи досліджень.

У першому розділі проведено аналіз критеріїв якості деталей, отриманих механічною обробкою, і факторів, що впливають на їх формування з урахуванням технологічної спадковості від попередніх операцій. Наведено роботи, присвячені проблемі покращення якісних показників токарної обробки шляхом різання і пластичного деформування. Викладено сучасні способи підвищення розмірної точності і шляхи зменшення похибок форми, шорсткості і хвилястості довгомірних деталей при їх обробці за токарною схемою. Показано вагомість параметрів жорсткості всіх складових верстатної системи при формоутворенні деталей. Проаналізовано засоби удосконалення, методи розрахунку і аналітичні підходи вирішення задач якості.

Розглянуто сучасний асортимент мастильно-охолоджуючих засобів з боку їх здатності полегшити умови деформування металів в осередку пластичного контакту обробний ролик – оброблювана поверхня. Показано суперечні погляди на механізм дії високоактивних добавок до МОТЗ.

В результаті узагальнення основних компонентів в складі існуючих перспективних рідинних МОТЗ було виявлено, що основу їх рецептури складають високомолекулярні органічні і неорганічні полімерні сполуки. На основі загальної властивості полімерних сполук до деструктивних процесів під дією високих локальних температур і навантажень в зоні обробки, зроблено аналіз їх перетворень. Теоретично обгрунтовано, що розкладання полімерних добавок в МОТЗ в результаті термо-механодеструкції може відбуватися до утворення атомарного водню. З цього боку, в першому розділі присвячено окрему главу питанню взаємодії водню з металами і використанні молекулярного водню при механічній обробці металів.

У другому розділі викладено основні методи теоретичних і експериментальних досліджень.

В теоретичній частині прийнято розрахункові схеми обробки довгомірних деталей по токарній схемі і виведені рівняння математичної моделі, що описують процес динамічного формоутворення тіл обертання. В моделі отримання валів (рис.1) було враховано: змінну жорсткість деталі Сд з переміщенням інструменту вздовж вісі довгомірної деталі, і додаткові пружні переміщення центру задньої бабки y2 і передньої опори y1 (затискного патрона), зусилля притискання центра задньої бабки Рзц . Шпиндель верстату розглянуто як умовний пружно-фрикційний шарнір з радіальною Срп, осьовою Соп, поворотною Спп жорсткістю, та моментом тертя в шарнірі Мт.

Виведено рівняння статичної пружної лінії вісі деталі за прийнятою схемою:

+ , (1)

де ; Е – модуль пружності матеріалу заготовки; Ix - момент інерції поперечного перерізу вала; l – довжина довгомірного валу; Pх – складова сили обробки у вісевому напрямку; х – поточна координата інструменту вздовж вісі деталі; Py – радіальна навантажувальна сила; Cy1і Cy2 – відповідно, радіальна жорсткість передньої (затискного патрона) та задньої опори.

Перша складова yс' в формулі описує пружну лінію вісі деталі з жорстким защемленням в патроні і вільним в задньому центрі, друга yс'' – додає піддатливість передньої і задньої опор, yс''' – враховує зміни згинного моменту

Мзц = Рзц (y2 - y1)від сили притискання заднього центру.

Для обробки ППД прийнято спрощену схему з урахуванням жорсткості пружного корпусу обробного ролика Срол(рис.1.б).

Рис.1. Спрощена розрахункова схема динамічної моделі процесу токарної обробки: а) - точінням; б) – з використанням ППД.

Приведена жорсткість супорта в такому випадку буде дорівнювати при послідовному з’єднанні:

.(2) | Для оцінки впливу параметрів заготовки на динамічну жорсткість системи шпиндель-патрон-інструмент-деталь, силу перенесено на лінію осі пружно-фрикційного шарніру і додатково прикладено момент .

При заданих коефіцієнтах нерівномірності радіальної і поворотної жорсткості затискного патрона розмах їх максимальних значень:

,. | (3) | В результаті виникає додатковий припуск на обробку, який визначається нерівномірностями радіальної і поворотної жорсткості, нерівномірністю жорсткості супорта , відхиленням від круглості заготовки та її радіальним биттям ? р :

. | (4) | Випадкові коливання призведуть до розмаху сили обробки. При гармонічному законі дії сили диференціальне рівняння руху з врахуванням в’язкого тертя:

, | (5) | а при дії моменту де , диференціальне рівняння повороту вісі заготовки з врахуванням моменту сухого тертя в пружно-фрикційному шарнірі має вигляд:

.(6) |

Розв’язки рівнянь (5) і (6) дають:

, | .(7) |

Таким чином сукупний приріст динамічного відтискання вісі деталі при обраній схемі складає:

,(8) |

де Ap - амплітуда коливань динамічної складової відтискань заготовки;

Aм- амплітуда коливань кута повороту заготовки.

В другому розділі також викладено загальну методику експериментальних досліджень. Вибрано: тип полімерної добавки – поліетилен низького тиску №273 ГОСТ1633-85 (П.Е.н.т.); масло носій–мінеральнетрансформаторнеТ-1500; марка МОТЗ для порівняння - И-20А, що традиційно використовують на операціях ППД. МОТЗ подавався в зону обробки крапельним способом зі швидкістю 0,1 мг/сек. Обробка здійснювалась однороликовим пристосуванням з пружним петлеподібним корпусом жорсткістю Срол=5000 Н/мм на токарному верстаті моделі 1А616 з закріпленням деталі в трикулачковому патроні і центрі задньої бабки. Зусилля притискання ролика контролювалось індикатором 1МИГ ГОСТ9696-82, вмонтованим в корпус оправки ролика.

Точність і мікрогеометрія оброблених поверхонь визначалась засобами, що встановлені державними стандартами. Мікротвердість поверхневих шарів вимірювалась в осьовому перерізі зразків склерометричним методом за Мартенсом (дряпанням) на приладі АИИ 2.840.005ПС з навантаженням на індентор 0,1Н і 0,2Н. Фізико-хімічні властивості отриманих поверхонь оцінювались за допомогою скануючого Оже-спектрального мікроаналізатора моделі JAMP-10S японської фірми JEOL.

У третьому розділі наведено результати теоретичних досліджень розмірної точності і відхилень форми довгомірних гладких валів і експериментальне визначення впливу МОТЗ на деформованість металів під час обробки поверхневим пластичним деформуванням.

В результаті комп’ютерної реалізації математичної моделі формоутворення деталей, що було запропоновано в другому розділі, отримано пружні статичні лінії і динамічні коливання вісі деталі (рис.2) для попередньої операції точінням і подальшої обробки ППД за обраною схемою.

Рис.2. Пружні відтиснення вісі деталі розраховані на ЕОМ для l=220 мм,

d=80 мм.: а) – статичні; б) – динамічні; в) – сукупні для ППД.На рис.2 спостерігається зміна знаку динамічних відтиснень вісі деталі в момент зрівняння пружних статичних переміщень передньої і задньої опор (у1=у2) по мірі руху обробного ролику. В цьому місці знаходиться імовірний максимум динамічних коливань, які можуть складати до 50% від статичного відтискання, що підсилюється зміною знаку згинного моменту від вісевої складової сили Робі сили Рзц.

Для зменшення радіальної складової Ру та її динамічного розмаху ?Ру розглянуто можливість проводити обробку на знижених навантажувальних зусиллях Роб без втрат заданої шорсткості поверхонь за рахунок збільшення пластичної усадки поверхневого шару деталі. Тому в третьому розділі експериментально досліджувався вплив добавки поліетилену до МОТЗ на деформованість нормалізованоїсталі 45. Обробка виконувалась без поздовжньої подачі ролика шляхом накатування кільцевих лунок. Критерієм оцінки були глибина і ширина накатуваних лунок.

В результаті виявлено, що при рівних умовах найвища усадка металу досягається при концентрації 1% поліетилену в маслі Т-1500 за масою.

Для визначення діапазону технологічних режимів, при яких відбувається ефект підвищення деформованості від полімерної добавки в МОТЗ проведено багатофакторний статистичний аналіз і отримано регресійну модель процесу:

y = 1088.771 + 137.6425х2 + 125.0323х3 - 55.0062х2х3 + 44.51270z2z3 +

+ 27.09878x1 + 21.61226x5 - 27.3708z2x3 + 20.76259x1x3 . | (9) | Відгуком y в моделі є ширина лунки (а), накатаної без поздовжньої подачі, тобто з нульовою подачею. Ортогональні контрасти в моделі належать факторам, наведеним в табл. 1.

Таблиця 1

Натуральні та кодовані значення рівнів варіювання факторів

Фактор | Назва та натуральні позначення факторів | Натуральні значення рівнів Хі | Значення рівнів Хі у робочій матриці | Кодовані теоретичні значення рівнів факторів та ортогональні контрасти | Fi | xizi

1 | Тип МОТЗ | И-20А | 0 | 0 | -0,4999995 | - | Т1500+ПЕн.т. | 1 | 1 | 1,0000005 | - | 2 | Кратність докладання навантаження К д.н.,

(кількість) | 1 | 1 | 0 | -0,87499875 | 0,599995898 | 3 | 3 | 1 | -0,12499875 | -1,000000049 | 6 | 6 | 2 | 1,00000125 | 0,400002907 | 3 | Навантаження на ролик Роб, кН | 0,6 | 0,6 | 0 | -0,9999996 | 0,468083575 | 1,85 | 1,85 | 1 | 0,04166665 | -0,99999794 | 2,95 | 2,95 | 2 | -0,95833295 | 0,531913347 | 4 | Швидкість

обкатки Vоб, м/хв | 2,7 | 2,7 | 0 | -0,850753391 | 0,62095123 | 18,18 | 18,18 | 1 | -0,149243135 | -1,000002495 | 43,54 | 43,54 | 2 | 1,000001057 | 1,206663483 | 5 | Вихідна шорсткість заготівки Rzвих, мкм | 6,3 | 6,3 | 0 | -0,94459016 | 0,542737536 | 40 | 40 | 1 | -0,05540892 | -0,999998408 | 80 | 80 | 2 | 0,99999908 | 0,457255871 |

Отримана модель показує наступне:

- всі фактори, прийняті до аналізу крім швидкості обкатування, увійшли в модель і статистично значимі;

- впливовість фактору МОТЗ (х1) проявляється третім за рангом після умовної повздовжньої подачі Кд.н. (х2), зусилля обкатування Роб (х3) та їх взаємодій (х2х3, z2z3);

- присутність розчиненого поліетилену в маслі збільшує критерій відгуку (ширину лунки) у всіх випадках, тобто збільшується деформованість;

- спостерігається взаємодія в моделі чинників МОТЗ і навантаження на обробний ролик Роб (х1х3).

На рис.3 графічно показано сили впливу головних ефектів та взаємодій на відгук у моделі.

Рис.3. Діаграма сили впливу регресорів на відгук у моделі

Для визначення причин ефекту пластифікації поверхневого шару в присутності полімерної добавки в маслі проведено аналіз фізико-механічного і хімічного стану оброблених поверхонь.

Досліди на технічно-чистому залізі виявили надтверду (Н=3.1 ГПа), порівняно із поверхнею зразків деформованих в маслі И-20А (Н=1.1 ГПа), об’ємну поверхневу фазу (білий шар) до глибини 50 мкм (рис.4.).

Даний шар металу не виявляється металографічно, а проявляється тільки в растровому електронному мікроскопі атомним контрастом за рахунок більш інтенсивної емісії вторинних електронів з поверхні мішені при її опромінюванні.

Перевірка хімічного складу білих шарів методом Оже-спектроскопії зафіксувала аномальне незворотне розподілення спектрів для заліза. При цьому кількість інших хімічних сполук не перевищила початкових значень (рис.5).

Пояснення спостерігаємих явищ полягає в руйнуванні полімерної добавки (поліетилену) в зоні обробки до утворення молекулярного і атомарного водню за імовірним механізмом:

1) | ; | 2) | ; | 3) | ; | 4) | ; | 5) | .

Активний водень, носієм якого в зону обробки виступає полімервмісний МОТЗ, проникає в поверхневі шари металу під час обробки, локалізує деформаційні процеси, як концентратор напружень в приповерхневих шарах, тим самим відбувається зміцнення металу до підвищених значень.

Підтвердженням присутності водню в металі є перерозподіл енергій електронного зв’язку атомів заліза, деформованого в полімервмісному МОТЗ, про що свідчить аномалія Оже-спектрів. На основі отриманих результатів можна стверджувати, що атоми водню в процесі деформування проникають в метал, перетворюючись в протони, з віддачею своїх електронів на незаповнені d-рівні атомів заліза без утворення шкідливого для експлуатації деталей молекулярного водню. Залишковий водень остаточно десорбує з поверхонь оброблених ППД в полімервмісному МОТЗ через 30 діб.

У четвертому розділі експериментально перевірялися теоретичні положення, викладені в третьому розділі. Основна увага приділялась факторам, що не ввійшли у математичні динамічну і статистичну моделі. Токарна обробка здійснювалась з поздовжнею подачею обробного ролика. Зокрема, досліджувались технологічні критерії – точність обробки, шорсткість, хвилястість і твердість оброблених поверхонь, експлуатаційні характеристики обробного інструменту для ППД.

В табл. 2 і 3 подані відповідно результати розсіювання діаметральних розмірів і відхилення від круглості валів, обкатаних зі сталими зусиллям навантаження і геометрією ролика.

Виправлення похибок від попередньої обробки точінням, відбувається за рахунок змін навантаження на ролик відповідно властивостям пружного корпуса обробного інструменту. Коливання розмірів заготівки (допуск розміру і форми) викликає зміни сили обкатування і відповідне цьому збільшення усадки поверхневого шару за рахунок інтенсифікації деструкції полімеру і утворення атомарного водню, що не суперечить статистичній моделі.

Таблиця 2

Розсіювання діаметральних розмірів циліндричних валів

на відстані 0,5l (cталь 45 твердістю 174НВ) після обробки в

МОТЗ в залежності від діаметру деталі для Роб=1,8 кН, Dрол=35мм

Вид обробки і склад МОТЗ | Центр групування діаметру | мм | Поле розсіювання діаметру | мкм | Поздовжнє точіння в повітрі (попередня обробка) | 30,042

52 | 63,296

64 | 97,590

87 | 144,677

114 | Поздовжнє обкатування в маслі И-20А | 29,971

48 1,36* | 63,202

72 1,47* | 97,530

94 0,69* | 144,622

151 0,48* | Поздовжнє обкатування в маслі Т-1500+1%ПЕн.т. | 29,950

41 1,77* | 63,183

56 1,76* | 97,519

88 0,82* | 144,615

149 0,54* |

* Співвідношення величини усадки металу до поля допуску заготовки hпл/ ITi-1

Таблиця 3

Відхилення від круглості циліндричних валів ( мкм )

на відстані 0,5l після обробки в МОТЗ для Роб=1,8 кН, Dрол=35мм

Вид обробки і склад МОТЗ | Оброблюваний діаметр, мм | 30 | 63 | 98 | 145 | Поздовжнє точіння в повітрі (попередня обробка) | 10 | 18 | 27 | 35 | Поздовжнє обкатування в маслі И-20А | 18 | 25 | 34 | 51 | Поздовжнє обкатування в маслі Т-1500+1%ПЕн.т. | 8 | 17 | 30 | 50 |

Проведеними експериментами встановлено, що співвідношенню діаметра заготовки до обробного ролика Dд/Dрол=0.9 - 2.0, відповідають оптимальні кути вдавлювання в площині качання ролика. За таких умов МОТЗ без перешкод потрапляє в осередок пластичного контакту, а питомий тиск досягає максимальних значень, в наслідок чого інтенсифікується деструкція полімерної добавки.

Полімервмісний МОТЗ, полегшуючи умови деформування, стабілізує отримання дійсних розмірів діаметрів в області найбільш наближених до імовірного центру групування. При обробці в чистому маслі коефіцієнт відносної асиметрії поля допуску склав = 0.51, обробка в МОТЗ з полімерною добавкою забезпечила = 0.38.

Із зростанням діаметру оброблюваних деталей точностні можливості методу обкатування знижуються. Оскільки при однаковій точності збільшується поле допуску на виготовлення, висота вихідних нерівностей змінюється в тих же межах, що й при обробці деталей малого діаметра. По мірі збільшення діаметрального розміру деталей співвідношення залишкової деформації до поля допуску заготівки зменшується від 1,8 до 0,5. В такому випадку деформація має поверхневий характер і на зміни розміру впливає в основному перерозподіл матеріалу мікронерівностей, зминання гребенів і заповнення впадин, що і обумовлює зниження ефекту від полімервмісного МОТЗ на великих діаметрах обробки.

Вибір поздовжньої подачі на операціях ППД завжди здійснюють з урахуванням моменту крихкого руйнування поверхневого шару деталі в наслідок перенаклепу. Тому було вивчено кінетику змін характеристик міцності матеріалу валів в залежності від кратності докладання навантаження Кд.н. в присутності адсорбційно-активного МОТЗ. Дані вимірювань наклепу (рис.6) довели, що трикратне докладання навантаження є достатнім для досягнення межи зміцнення в полімервмісному МОТЗ. На рівні шестикратного докладання навантаження глибина наклепу закінчує зростати як в маслі з полімером, так і в чистому маслі. Інтенсивне знеміцнення і лущення поверхонь в МОТЗ із поліетиленом відбувається на рівні двядцятип’ятикратного докладання навантаження.

а) |

б) | Рис.6. Залежність інтенсивності наклепу від кратності докладання

навантаження Кд.н. після обкатування в МОТЗ:

Д - ?асло Т-1500; ? - масло Т-1500 + 1 % ПЕ н. т. | а) - по глибині поверхневого шару; б) – на глибині 5мкм. |

При перевірці експлуатаційних властивостей обробного інструменту для операцій вигладжування твердосплавною пластинкою сформовано базу руйнівних подач в залежності від навантажувального зусилля на інструмент.

Результати експериментів (рис.7) свідчать, що полімерна добавка до мінерального масла забезпечує підвищення руйнівної подачі Sр як для пластин зі сплаву Т5К10, так і для Т15К6. Для пластин зі сплаву Т15К6 мало місце більше підвищення Sр, ніж для пластин зі сплаву Т5К10, відповідно, в 1.5 – 2 і в 1.16 – 1.75 рази. Найбільше відносне підвищення Sр для обох сплавів спостерігалося в області навантажень на інструмент 0.8 – 1.0 кН.

Добавка полімеру високої молекулярної маси до МОТЗ благодійно впливає як на міцність, так і на стійкість твердосплавних пластин при вигладжуванні (рис.8.). Чим важчі умови обробки і менша міцність інструментального матеріалу, тим ефективніше застосування полімервмісного МОТЗ. Застосування полімервмісного МОТЗ суттєво зменшує різницю абсолютних значень міцності сплавів Т5К10 і Т15К6, що дає можливість ефективніше використовувати більш стійкий до зношування, але менш міцний сплав Т15К6.

Рис.7. Залежність руйнівної подачі Sp від навантаження на інструмент при вигладжуванні циліндричного валу з нормалізованої сталі 45 в МОТЗ: 1, 2 - масло И-20А;

3, 4 - масло Т-1500 + 1% ПЕ н.т.;

Режими обробки: Dд=80мм;

Vвигл=17.84м/хв; Rzвих=40мкм.Рис.8. Стійкість Т і працездатність П обробної пластини при вигладжуванні в МОТЗ в залежності від швидкості обробки:

?- масло И-20А;

¦ - масло Т-1500 + 1% ПЕ н.т.

Режими обробки: Sпозд=0.08 мм/об;

P=0.6 кН; Dд=80 мм. |

У п’ятому розділі викладено методику розрахунку очікуваної шорсткості і перевірені такі експлуатаційні властивості оброблених деталей як міцність нероз’ємних з’єднань з натягом і корозійна стійкість. Подано практичні пропозиції по використанню результатів досліджень.

Теоретичний розрахунок параметра Rz здійснюється на основі систематичних складових при формоутворенні шорсткості (рис.9).

Із вмиканням поздовжньої подачі слід ролика на циліндричній поверхні деталі приймає гвинтову форму. Так, як за традиційно прийнятими режимами величина подачі значно менша, калібруювального пояска ролика, при обкатуванні відбувається перекриття сліду, тобто ролик має дотик з кожною точкою поверхні обробки декілька разів. Дане перекриття при обкатуванні запропоновано оцінювати кратністю докладання навантаження К д.н.. Для операцій ППД нормувальним параметром пропонується приймати поздовжню подачу, тому з урахуванням перекриття слідів подача розраховується як:

Sпозд= | К д.н . n · a | . | (10) | cosи · (1 + ? д.н) | Вихідними даними будуть К д.н., n, и, ?:

и – ?ут підйому гвинтової лінії;

а - ширина лунки, накатаної без поздовжньої подачі;

n – кількість деформуючих роликів (для багатороликових інструментів).

Рис.9. Вихідна схема для розрахунку Rz

Щоб уникнути експериментів для визначення параметру а з оцінкою впливу МОТЗ, треба використовувати статистичне рівняння регресії, отримане в третьому розділі (рівняння 9). Тоді очікувана висота шорсткості у сталому режимі складе:

Rzочік= Rzвих- Rпр(cosж-sinб) , | (11) |

деRпр – профільний радіус ролика;

ж, б– ?ути, що враховують геометрію контакту ролика і деталі:

,(12) | .(13) | Для оцінки випадкової складової від коливального руху інструменту запропоновано вираз:

, | (14) | де ?hпл– межи коливання пластичного вторгнення ролика ?hпл.= hпл max - hпл min;

щ – ?астота власних коливань ролика;

лрол – коефіцієнт в’язкого тертя корпусу оправки ролика;

Th – стала часу демпфування пружного корпусу оправки ролика.

Згідно з сучасними уявленнями величина ?hпл залежить від неоднорідності твердості оброблюваного матеріалу і шорсткості заготовки:

, | (15) | де ?tm вих – розбіжність відносної довжини опорної лінії вихідної шорсткості на рівні середньої лінії;

Дp – коливання питомого тиску на ділянці контакту ролика і заготовки;

Двих – розбіжність значення параметра, що характеризує початкову ділянку кривої відносно опорної лінії вихідної шорсткості;

ДRp вих – розбіжність значення висоти згладжування вихідної шорсткості;

Aa – контурна площа контакту ролика з заготовкою.

Площа контакту розраховується для трьох випадків в залежності від показника ?, що характеризує форму і напрямок видовження еліптичного відбитку в площині качання обробного ролика:

,,,(16) | деRзв – зведений радіус ролика;

а/ - ширина гвинтової контактної лунки у сталому режимі при обробці з ввімкненою поздовжнею подачею ;

b/ - розмір плями пластичного контакту в напрямку качання ролика, який може бути розраховано із співвідношення, запропонованого і перевіреного в роботах Рижова Є.В. .

Експериментальна перевірка розробленої методики показала хорошу відповідність реальному процесу отримання поверхонь заданої шорсткості. Викладені розрахунки підтверджують, що МОТЗ з добавкою поліетилену в рівних умовах обробки сприяє зниженню висотного критерію RZ. А головне у випадку обробки маложорстких довгомірних деталей це дозволяє знизити установочну силу навантаження на 20-40% без втрати показників шорсткості. В результаті відкривається резерв підвищення продуктивності і точності обробки.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблені динамічна і математична моделі процесу обробки довгомірних деталей при поверхнево-пластичному деформуванні, які враховують піддатливість місць закріплення в затискному патроні передньої бабки і центрі задньої, що дозволяє при різних схемах і режимах більш точно визначати і прогнозувати розміри, форму і якість поверхні оброблених деталей в поздовжньому і поперечному напрямках. Реалізацією математичної моделі на ЕОМ доведено, що по мірі руху інструменту існує ділянка зрівняння пружних статичних відтиснень передньої і задньої опор де динамічні коливання вісі деталі можуть складати до 50% від статичного переміщення.

2. Проведено багатофакторний статистичний аналіз поверхневого деформування при верстатній обробці і отримано математичну модель, яка доводить значимість фактору МОТЗ третім за рангом після повздовжньої подачі (кратність докладання навантаження), зусилля обкатування, та їх взаємодій. Зростання концентрації високомолекулярної речовини в МОТЗ діє в напрямку збільшення пластичної усадки поверхневого шару деталі.

3. Деформаційні процеси при використанні полімервмісного МОТЗ на операціях ППД раніше починаються і мають більшу швидкість розвитку в поверхневих шарах металу порівняно із традиційними МОТЗ. Показано, що дані ефекти викликані складним послідовним комплексом фізико-хімічних перетворень полімерів під впливом значних контактних механічних напруг і локальних температур в зоні деформування до утворення атомарного водню, який дифузує в поверхневий шар деталі, змінює фізико-механічні властивості металу під час деформування, поліпшує умови обробки.

4. Експериментально зафіксовано, присутність атомарного водню при верстатній обробці ППД, постачальником якого в зону обробки є полімервмісний МОТЗ. Цей факт підтверджено утворенням в поверхневих шарах технічно-чистого заліза об'ємної фази підвищеної твердості з незворотнім перерозподілом енергій зв'язку електронних рівнів.

5. Встановлено, що поліпшення деформованості під впливом полімервмісного МОТЗ проявляється у всьому діапазоні швидкостей і зусиль, які застосовують при токарній обробці поверхневим пластичним деформуванням і його ефективність підвищується із зажорсткненням режимів обробки.

6. Застосування полімервмісних МОТЗ дозволяє встановлювати навантажувальні зусилля до 40% нижче за традиційні, що має благодійний вплив на розмірну точність і відхилення від круглості для довгомірних деталей типу тіл обертання. Виявлено можливість зниження поля розсіювання діаметральних розмірів на 20 – 30% за рахунок зростання співвідношення залишкової деформації до поля допуску заготовки від попередньої операції точінням.

7. Виведені аналітичні залежності формування мікрогеометрії зовнішніх поверхонь обертання оброблених шляхом обкатування роликом, що дозволяють на стадії розробки технологічного процесу оцінити і призначити режими забезпечення заданої якості з урахуванням впливу МОТЗ.

8. Запропоновано новий спосіб обробки металів, захищений патентом України на винахід і прийнятий до впровадження на двох підприємствах.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

Для забезпечення якісних результатів при обробці довгомірних валів поверхневим пластичним деформуванням шляхом обкатування роликом за токарною схемою, а також підвищення продуктивності слід запровадити у виробництво такі заходи:

- при виборі силових технологічних режимів необхідно враховувати піддатливість місць закріплення заготовки патрона і центра задньої бабки за запропонованою математичною моделлю;

- при виборі МОТЗ бажано використовувати полімерну добавку поліетилену низького тиску до масла Т1500 з концентрацією 1% за масою, або будь-якого іншого мінерального масла без домішок;

- розрахунок очікуваної шорсткості слід виконувати за запропонованою методикою накатування кругових лунок без поздовжньої подачі інструменту;

- вибір поздовжньої подачі необхідно здійснювати з урахуванням ширини лунки, накатаної з нульовою поздовжнею подачею або розраховувати за отриманою регресійною моделлю для сталі 45;

- враховувати кратність докладання навантаження для оцінки майбутньої міцності оброблених поверхонь за викладеними в роботі даними.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сошко В.А., Селиверстов И.А., Дмитриев Д.А. Влияние полимерных присадок к СОТС на микротвердость обработанныхметаллических поверхностей // Вісник херсонського державного технічного університету. - 1997. - №1. - С.145 - 146.

Дисертанту належить обробка отриманих експериментальних даних і визначення напрямків подальших досліджень.

2. Селиверстов И.А., Соха В.И., Дмитриев Д.А. О применении полимерсодержащих смазочно-охлаждающих технологических средств при механической обработке металлов // Вісник херсонського державного технічного університету. - 1997. - №1. -С.187 - 190.

Дисертанту належить аналіз літературних джерел за проблемою.

3. Сошко А.И., Дмитриев Д.А. Применение полимерсодержащих технологических смазочных средств для обработки металлов поверхностным пластическим деформированием // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Межвуз. тематический сборник научных трудов ДГМА. - Краматорск. - 1998. - №4. – С.186 - 190.

Дисертантом розроблено методику проведення досліджень.

4. Дмитрієв Д.О. До питання впливу полімервмісних технологічних змащувальних середовищ на процеси механічного зміцнення металів // Вісник херсонського державного технічного університету. - 1998. - №4.- С.212 - 216.

5. Дмитрієв Д.О. Вплив обробки поверхневим пластичним деформуванням в полімервмісних МОТЗ на корозійну стійкість металевих виробів // Вестник НТУУ "Киевский политехнический институт". - 1999. - №34.-С.163 - 167.

6. Дмитрієв Д.О., Сошко В.О., Діневич Г.Ю. Про перетворення полімерної складової до МОТЗ в осередку пластичного контакту металів // Вісник херсонського державного технічного університету. - 1999.-№3.-С.266 -268.

Дисертанту належить постановка задачі і проведення експерименту.

7. Дмитрієв Д.О., Сошко В.О., Міщук О.О., Діневич Г.Ю. Структурні зміни армко-заліза, деформованого в полімервмісних мастильно-охолоджуючих технологічних засобах // Вестник НТУУ "Киевский политехнический институт". - 1999. -№37. - С.249 - 255.

Дисертанту належить аналіз даних і формулювання висновків.

8. Сошко В.О., Дмитрієв Д.О. Спосіб обробки металів. Патент України №35422А, МПК 6В23Р9/02 С23С22/02; Заявлено 12.10.1999; Опубл. 15.03.2001, Бюл.№2. – 4с.

Дисертантом виконано патентний пошук за проблемою, отримані та підготовлені дані для опису винаходу.

9. Гринавцев О.В., Гринавцев В.Н., Дмитриев Д.А. Повышение стойкости матриц при прессовании алюминиевых сплавов // Тезисы докл. международной технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс".-Донецк: ДонГТУ. - 1996.-С.61

Дисертантом виготовлено магнітну змащувальну рідину для досліджень.

10. Діневич Г.Ю., Дмитрієв Д.О., Сошко В.О., Міщук О.О. Технологічні можливості деформаційного зміцнення металів з застосуванням полімервмісних технологічних середовищ // Тезисы докл. международной конференции "Новые технологи и методы упрочнения деталей энергетических установок". – Запорожье: ЗГТУ - 2000. - С.120.

Дисертанту належить отримання і аналіз експериментальних даних.

АНОТАЦІЯ

Дмитрієв Д.О. Забезпечення якості обробки довгомірних деталей поверхневим пластичним деформуванням з використанням полімервмісних МОТЗ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08. – технологія машинобудування. – Національний технічний Університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2003.

Захищається рукопис, що містить теоретичні і експериментальні дослідження якості обробки довгомірних деталей поверхневим пластичним деформуванням (ППД) шляхом обкатування роликом за токарною схемою з використанням мастильно-охолоджуючих технологічних засобів (МОТЗ).

В роботі розглянуто основні схеми закріплення довгомірних деталей в патроні і центрі задньої бабки для обробки інструментами копіюючого типу малої жорсткості. Проаналізовано жорсткостні умови функціонування верстатної системи і їх вплив на пружні відтиснення вісі заготовок типу гладкий вал. В результаті теоретичних досліджень отримано динамічну математичну модель токарної обробки ППД, яка дозволяє прогнозувати форму і точність деталей при виборі робочих навантажень.

Експериментально обґрунтовано, відпрацьовано і рекомендовано для виробництва склад МОТЗ, здатного підвищити якість на операціях ППД. Розроблені методика і виведені залежності для призначення режимів обробки ППД з урахуванням впливу полімервмісного МОТЗ.

Ключові слова: поверхневе пластичне деформування, довгомірна деталь, якість, мастильно-охолоджуючі технологічні засоби. жорсткість, робоче навантаження.

АННОТАЦИЯ

Дмитриев Д.А. Обеспечение качества обработки длинномерных деталей поверхностным пластическим деформированием с применением полимерсодержащих СОТС. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08. – технология машиностроения. – Национальный технический Университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2003.

Защищается рукопись, содержащая теоретические и экспериментальные исследования качества обработки длинномерных деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД) путем обкатки роликом по токарной схеме с применением полимерсодержащих смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).

Проведен анализ существующих способов повышения качества и производительности механической обработки металлорежущего оборудования. Показаны их преимущества и недостатки. Наряду с оценкой силовых взаимодействий при ППД определены приоритетные направления, которые касаются использования СОТС высокой эффективности. Анализ проблемы показал, что исследования в этой области касались разрозненных процессов и