НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ

Лоєв Володимир Юхимович

УДК 621.914

УДОСКОНАЛЕННЯ ФІНІШНОЇ ОБРОБКИ ПЛОСКИХ ПОВЕРХОНЬ ДЕТАЛЕЙ КОМБІНУВАННЯМ РІЗАННЯ З ПОВЕРХНЕВИМ ПЛАСТИЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ

Cпеціальність: 05.03.01 – Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування і конструювання технічних систем” Житомирського державного технологічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Мельничук Петро Петрович, Житомирський державний технологічний університет, ректор, завідувач кафедри “Технологія машинобудування і конструювання технічних систем”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, с.н.с Клименко Сергій Анатолійович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, завідувач відділом “Технологічне управління якістю обробки поверхні”, м. Київ;

кандидат технічних наук, професор Оборський Геннадій Олександрович, Одеський національний політехнічний університет, МОН України, завідувач кафедрою „Металорізальні верстати, метрологія і сертифікація”, м. Одеса.

Провідна установа: Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, МОН України, кафедра інструментального виробництва, м. Київ.

Захист відбудеться 6 жовтня 2005р. о 13 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.230.01 в Інституті надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України за адресою: 04074, м. Київ, вул. Автозаводська, 2.

Автореферат розісланий 2 вересня 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, доктор технічних наук,

с.н.с В.І. Лавріненко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Впровадження у виробництво фінішної обробки плоских протяжних поверхонь деталей машин і механізмів з необхідними наперед заданими якісними показниками (точність, оптимальна шорсткість, мікротвердість, міцність, структура поверхневого шару, рельєф мікрогеометрії тощо) при мінімальних матеріальних витратах є важливим для машинобудування.

Недоліки процесу шліфування поверхонь, пов’язані зі складністю отримання їх гарантованої якості, а також порівняно низька продуктивність процесу і його шкідливість для навколишнього середовища вимагають підвищеної уваги до розробки альтернативних технологічних процесів. Важливість вирішення цієї проблеми визначена багатьма міжнародними науковими конференціями, особливо в останній час (Міжнародна науково-технічна конференція у м. Ялта 2729 травня 2003р. ”Інженерія поверхні і реновація виробів”; Міжнародна наукова конференція у м. Києві 1113 листопада 2003 р. ”Технологічне управління якістю поверхні деталей машин”; ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція “Процеси механічної обробки, верстати та інструмент” у м. Житомирі, 0911 жовтня 2003 р. і інші).

Вирішення проблеми шляхом використання послідовної лезової обробки та поверхневого пластичного деформування (ППД) на одному або декількох робочих місцях (двома окремими операціями) спричиняє підвищення вартості виробів, а розрив у часі між операціями може викликати незворотні процеси в поверхневому шарі (окислення, утворення тріщин тощо).

Виходячи з окресленого, розробка економічно ефективного комбінованого методу якісної обробки плоских протяжних поверхонь деталей з загартованих сталей, загартованих і незагартованих чавунів є вирішенням актуальної проблеми.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з виконанням НДР Житомирського державного технологічного університету “Розробка прогресивного багатолезового інструменту для чистової обробки плоских протяжних поверхонь на вертикально-фрезерувальних верстатах” (номер державної реєстрації РК №0102V005622) “Фінішна обробка загартованих сталей косокутними фрезами з полікристалічних надтвердих матеріалів” (номер державної реєстрації РК № 0102V005623), а також договором між ЖДТУ і ВАТ ”Мікрон”, м. Одеса на створення науково-технічної продукції від 2 червня 2003р. №297, “Удосконалення процесу фінішної обробки плоских поверхонь торцевими фрезами з комбінованими схемами різання і деформування” (номер державної реєстрації РК 0104V003517).

Мета і задачі досліджень. Метою дисертації є удосконалення і впровадження методу обробки плоских протяжних поверхонь деталей з загартованих сталей, загартованих і незагартованих чавунів комбінуванням різання з ППД інструментом з надтвердих матеріалів, який забезпечує високу якість і економічну ефективність обробки. Для досягнення поставленої мети визначені наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

–

–

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Об'єкт дослідження – процес фінішної обробки плоских протяжних поверхонь деталей з загартованих сталей, загартованих і незагартованих чавунів.

Предмет дослідження – комбінований метод обробки різанням з поверхневим пластичним деформуванням інструментом, оснащеним надтвердими матеріалами.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії різання і поверхневого пластичного деформування, теорії проектування різальних і вигладжувальних інструментів, основних положень теорії машин, механізмів і технології машинобудування, теоретичних основ формоутворення плоских поверхонь при їх механічній обробці.

Експериментальні дослідження фінішної обробки плоских протяжних поверхонь комбінуванням різання з ППД проводились на технологічному обладнанні в умовах верстатобудівного виробництва з використанням розробленого спеціального інструменту, оснащеного надтвердим матеріалом, з оцінкою параметрів якості оброблених поверхонь сучасними вимірюваль-ними приладами і статистичним аналізом результатів випробувань на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично обґрунтовано удосконалення методу фінішної обробки плоских протяжних поверхонь деталей на основі торцевого ступінчастого фрезерування, чистового стругання і ППД, об’єднаних в одну технологічну операцію за допомогою розробленої конструкції інструменту з рухомими відносно його корпуса формоутворюючими елементами і запобіганням імпульсних силових навантажень на шпиндель, які спостерігались при випробуванні відомих конструкцій комбінованих інструментів.

2. Вперше теоретично доведено і реалізовано переваги перетвореної з колової у прямолінійну траєкторії руху формоутворюючих елементів, перпендикулярної до вектора подач заготовки, що забезпечує отримання рівномірної шорсткості по ширині обробленої поверхні, а також підвищення стійкості інструменту порівняно з чистовим торцевим фрезеруванням і вигладжуванням, які здійснюються традиційними методами.

3. Вперше теоретично та експериментально доведена можливість подальшого зміцнення поверхневого шару металу при комбінованому методі обробки плоских поверхонь за рахунок співпадання чистового проходу, попереднього перед ППД, за траєкторією і вектором руху з вигладжуванням, що обумовлено сінергетичним підсиленням зміцнення від попереднього чистового стругання зміцненням від вигладжування (ефект Баушингера).

Вперше доведено, що для забезпечення якісної фінішної обробки плоских поверхонь комбінуванням різання з ППД без зниження режимів до рівня проведення ППД традиційним інструментом, потрібно використовувати індентор з алмазного композиційного термостійкого матеріалу АКТМ®.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Обґрунтовано комбінований метод фінішної обробки плоских протяжних поверхонь деталей з загартованих сталей, загартованих і незагартованих чавунів з комбінуванням різання з ППД.

2. Розроблено та виготовлено спеціальний інструмент, поєднуючий в одну технологічну операцію процеси торцевого ступінчастого фрезерування, чистового стругання і вигладжування.

3. Виконано впровадження розробленого комбінованого методу обробки плоских протяжних поверхонь замість плоского шліфування деталей верстатів на верстатобудівному підприємстві ВАТ „Мікрон”, м. Одеса, що дало можливість отримати велику економічну ефективність з умовним річним показником – 48700грн, підвищити якість оброблених поверхонь до 35% і замінити шкідливий для навколишнього середовища процес на безпечний. Крім того скорочується кількість задіяного у виготовленні деталей обладнання, персоналу і, в цілому, виробничого процесу.

Удосконалений метод обробки і інструмент для його впровадження можуть бути використані на всіх машинобудівних підприємствах, зайнятих обробкою плоских протяжних поверхонь деталей.

4. Результати дисертації використовуються у навчальному процесі кафедри “Технологія машинобудування і конструювання технічних систем” Житомирського державного технологічного університету.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Особистий внесок, полягає у розробці основних ідей, формулюванні мети роботи, обґрунтуванні та проведенні експериментальних досліджень і впровадженні у виробництво. Розробка комбінованого інструменту, обґрунтування його конструктивних елементів і програми досліджень виконані самостійно. В госпдоговірних науково-дослідних роботах автор брав безпосередню участь і був відповідальним виконавцем.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на слідуючих конференціях і в організаціях:

- IV міжнародній конференції „Прогресивна техніка і технологія – 2003”, (30.06 – 4.07.2003р., м. Севастополь);

- III міжнародна науково-технічна конференція „Процеси механічної обробки, верстати та інструмент”, (9–11 жовтня 2003р., м. Житомир);

- 30 Jupiter konferencija. Masinski fakultet univerziteta u Beogradu, (April 2004р., Beogradu);

- MECHANICS 2004. Proceedings of the International Scientific Conference, (June 2004р., Rzeszуw) Scientific Bulletins of Rzeszуw University of Technology № 209 Mechanics 62, pp 229 – 238;

- Технічній раді ВАТ „Мікрон”, м. Одеса згідно з договором №297 від 2 червня 2003р. „Удосконалення процесу фінішної обробки плоских поверхонь торцевими фрезами з комбінованими схемами різання і деформування”. Акт приймання робіт від 25 травня 2004р.

- XXX наукова конференція, присвячена 45-ій річниці Житомирського державного технологічного університету, (10-17 березня 2005р. м. Житомир).

- XXXI JУПИТЕР КОНФЕРЕНЦИJА, ШТАМПАНА СТВАР Машински факультет у Беуграду, (12.-14. Априла 2005. Беуград).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано одну монографію, 5 статей, у тому числі 4 у фахових виданнях, отримано два деклараційних патенти України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків щодо результатів роботи, списку використаних джерел та шести додатків. Робота містить 199 сторінок, в тому числі: 91 рисунок, 13 таблиць. Список використаних джерел складається з 113 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету та задачі досліджень, окреслено наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, а також зв’язок з науковими програмами, планами і темами.

У першому розділі проведено аналіз сучасних методів обробки плоских поверхонь деталей машин і механізмів і ступінь забезпечення якісних показників цих поверхонь з точки зору експлуатаційних вимог. Наведено інформацію щодо існуючих конструкцій комбінованих інструментів, що поєднують різання з ППД при фінішній обробці плоских поверхонь. Виконано теоретичний аналіз впливу якісних показників плоских поверхонь деталей на їх експлуатаційні характеристики з визначенням можливостей зміцнення поверхневого шару матеріалу деталей або його знеміцнення в залежності від співпадання траєкторії руху формоутворюючих елементів з траєкторією руху при попередній обробці (чистового різця і вигладжувача).

Науковою базою для дисертаційних досліджень стали теоретичні розробки та результати випробувань вітчизняних і зарубіжних вчених: Новікова М.В., Розенберга О .М., Розенберга О.О., Боровського Г.В., Суслова А. Г., Карюка Г.Г., Єрмакова Ю.М., Рижова Е.В., Чистосердова П.С., Комбалова В.С., Мельничука П.П., Виговського Г.М., Подураєва В.М., Родіна П.Р., Равської Н.С., Клименка С.А., Андреєва Г.С., Сенькіна Є.М., Гавриша А.П., Киричика П.О., Торбили В.М., Полєтики М.Ф., Афтаназіва І.С. Ящеріцина П.І., Остаф’єва В.А., Внукова Ю.М., Армарего І.Дж.А., Брауна., Лонардо П.М. та інших.

В практичному використанні фактично відсутні методи обробки плоских протяжних поверхонь комбінуванням різання з ППД. Такі методи застосовується тільки для обробки колових поверхонь деталей, незважаючи на значну кількість переваг порівняно з традиційними методами. Такому стану існує одне пояснення: недостатнє обґрунтування комбінованого методу обробки і відсутність інструменту, який би забезпечував стабільність отримання якісних показників плоских поверхонь деталей з загартованих сталей, загартованих і незагартованих чавунів.

Існуючі методи комбінування лезової обробки і ППД не враховують впливу ефекту Баушингера на залишкові напруження в поверхневому шарі металу, що може привести до його знеміцнення. Ці передумови і визначили основну мету і задачі цієї роботи.

У другому розділі виконано теоретичне обґрунтування запропонованого методу фінішної обробки, доведені переваги перетвореного колового руху формоутворюючих елементів (чистового різця і вигладжувача) у прямолінійний перпендикулярний до вектора подач заготовки при комбінуванні різання з ППД.

Суть метода полягає у послідовному видаленні припуску на обробку торцевим ступінчастим фрезеруванням, чистовим струганням з наступним поверхневим пластичним деформуванням, об’єднаних в одну технологічну операцію за допомогою спеціального інструменту, оснащеного надтвердими матеріалами. На рис. 1 зображена траєкторія рухів оброблюючих елементів в процесі обробки. Рівномірність процесу обробки плоских поверхонь комбінованим методом забезпечується завдяки теоретично обґрунтованому розміщенню 22 нерухомо закріплених в корпусі на п’яти логарифмічних спіралях чорнових ріжучих елементів з різними вильотами відносно його торця.

Відносний виліт кожного формоутворюючого елемента розрахований за

формулою: , де ti – виліт і-го різця відносно чистового; t – загальний припуск на обробку, мм; tчист – припуск на чистовий прохід – 0,05мм; Rі – радіус розташування і-го інструменту; Rminчорн – мінімальний радіус розташування чорнових різців; Rmaxчорн – максимальний

радіус розташування чорнових різців.

Перетворення колового руху чистового різця і вигладжувача у прямолінійний перпендикулярний до вектора подач S призводить до зміни їх швидкості в межах кута повороту 2 (рис. ). Швидкість руху визначається за формулою: .

Одночасно зі зміною швидкості змінюються і кути різання чистового різця (рис. 3). Залежність зміни цих кутів від кута повороту комбінованого інстру-менту в процесі перетворення колового руху чистового різця у прямолінійний визначається за формулами:

;

;

.

На рис. 4 наведено графіки зміни кутів різання в залежності від початко-вого кута закріплення чистового різця відносно рухомого повзуна.

Метод комбінованої обробки плос-ких протяжних поверхонь передбачає суттєве (20-25%) збільшення стійкості фінішних формоутворюючих елементів. Для чистового різця це забезпечується, по-перше, зміною кутів різання в процесі обробки і, по-друге, зменшенням кількості його врізань-виходів за час обробки.

При традиційному коловому русі (рис.5) кількість врізань-виходів дорівнює:

.

При прямолінійному русі чистового різця ця кількість становить:

.

Різниця складає:

З метою усунення затирання фінішних формоутворюючих елементів обробленою поверхнею, що притаманне чистовому торцевому фрезеруванню, розроблена схема установлення шпинделя верстата, на якому проводиться обробка. Нахил осі шпинделя під кутом шп = 8950 до вектора подач заготовки дає можливість запобігти це явище. Утворювана увігнутість ?вігн оброблюваної поверхні усувається чистовим різцем, який рухається за прямолінійною траєкторією перпендикулярною до вектора подачі заготовки. У разі симетричного розташування комбінованого інструменту

.

При несиметричному розташуванні де е – ексцентриситет осі обертання комбінованого інструменту відносно оброблюваної поверхні.

На основі теоретичних обґрунтувань, підтверджених результатами випробувань відомих конструкцій комбінованих інструментів, була розроблена нова конструкція, яка поєднує торцеве ступінчасте фрезерування, чистове стругання і вигладжування. Це забезпечило в одному проході комбіноване виконання фінішної обробки плоских поверхонь загартованих та незегартованих деталей. Ріжучі елементи виготовлені з НТМ “гексаніт–Р”, а вигладжувальний з “АКТМ”, що сприяло обробці на високих режимах.

При проектуванні була врахована вимога дотримання безпечних умов експлуатації нового інструменту.

В корпусі інструменту 3 (рис.6) жорстко закріплені 22 чорнові різальні елементи (поз. 21) за допомогою клинового меха-нізму, зображеного на розрізі А–А. Цей механізм виконує крім функцій затиску ще й орієнтування ріжучої частини чорнових елементів відносно корпуса інструменту. Регулювання вильоту здійснюється диференційними гвинтами 20. Співвідношення кроків різей забезпечує регулювання осьового положення формоутворюючих елементів в межах 0,2 мм на оберт гвинта. В корпусі інструменту розташовані два повзуна (поз.2 і 10), в яких закріплюється, відповідно, чистовий різець 1 і через пружний елемент 13 вигладжувач 14, регулювання яких в осьовому напрямку здійснюється такими ж диферен-ційними гвинтами. На повзунах закріплені стійки 12, на яких установлені ролики 11 (підшипники). Між повзунами установлена пружина 19, яка забезпечує постійне притискання роликів до поверхні копіра 4, жорстко закріпленого на фланці 6 шпинделя 8 верстата. Фланець 6 кріпиться до корпусу 7 шпиндельної бабки. Копір 4 має форму поверхні, яка забезпечує перетворення колового руху чистового різця і вигладжувача на прямолінійний, перпендикулярний до вектора подач заготовки.

У будь-яких діаметрально протилежних точках поверхні копіра

lx + lnк + dрол = 245 0,1

,

де lпк– відстань від центру О до осі ролика; dрол– діаметр ролика (підшипника); – миттєвий кут перетворення колового руху інструмента у прямолінійний (); lіп– відстань від центру до траєкторії руху чистового різця; С – відстань між віссю ролика і інструментом.

З метою забезпечення регулювання зусилля притискання вигладжувача до оброблюваної поверхні передбачені наступні засоби: регулювання осьового вильоту вигладжувача (величини деформації пружного елемента); встановлення різного попереднього напруження за допомогою гвинтів; встановлення додаткових упорів, які змінюють плече деформації пружного елемента.

Діапазон регулювання складає: Ру= 50 ... 250 Н.

На рис. 7 наведено загальний вигляд розробленого комбінованого інструменту з захисним кожухом.

У третьому розділі відпо-відно до задач досліджень наведено результати експериментальних і виробничих випробувань, виконаних згідно з розробленою методикою, яка включає методи оцінки геометричних параметрів шорсткості з використанням вимірювальної техніки: (Talysurf – 6 і Surtronic 10Ra).

Розроблений оригінальний метод і пристрій для забезпечення гарантії точної установки комбінованого інструменту на глибину різання, що запобігає врізання чорнових різців на глибину більшу 0,2 мм (рис. 8).

Виконано розробку методики контролю зношення формоутворюючих елементів, яка полягає у фіксації стану кожного з них через встановлені інтервали часу роботи. Фотографування передньої і задньої площин зі збільшенням у 50 разів різальних елементів і вигладжувача під кутами 45 і 90 до вектора подачі заготовки. Враховано вплив на руйнування інструменту зусиль, діючих на передню і задню поверхні в період врізання і виходу ріжучого леза з оброблюваної поверхні, проаналізована форма імпульсу при врізанні в разі колового руху різальних елементів (традиційне торцеве фрезерування) і при прямолінійному русі чистового різця. Зміна кутів ішвидкості різання сприяють згладжуванню виникаючих імпульсних зусиль при переривчастому різанні.

На основі аналізу процесів, які виникають при фінішній обробці плоских поверхонь деталей з різних матеріалів, обґрунтовано вибір марок надтвердих матеріалів для оснащення комбінованого інструменту.

Проведені дослідження підтвердили високу стійкість формоутворюючих елементів і, в цілому, комбінованого інструменту. Це забезпечено ступінчастим видаленням припуску на обробку, а також зміною кутів різання і стабільним припуском під чистовий прохід (tчис=0,05 мм). Стійкість вигладжувача підвищена завдяки його рівномірному зношуванню через провертання відносно оброблюваної поверхні на кут до 43.

Встановлено, що фактична стійкість комбінованого інструменту практично залежить тільки від інтенсивності зношування чистового різця.

Підготовка технологічної оброблюючої системи до проведення досліджень проводилась у трьох напрямках: налагодження комбінованого інструменту, підготовка верстата до проведення комбінованого методу фінішної обробки та налагодження пристроїв.

Налагодження пристроїв полягало у забезпеченні закріплення заготовок без їх пружного деформування, оскільки останнє може вплинути на збільшення відхилення від площинності оброблюваних поверхонь.

З аналізу режимів фінішної обробки плоских поверхонь інструментом, оснащеним НТМ (окремо чистового фрезерування і вигладжування), наведених у науковій літературі, були визначені діапазони швидкостей і подач різання і вигладжування для проведення досліджень геометричних параметрів поверхневого шару оброблених заготовок:

–

–

В зв’язку з великою розбіжністю (до 30-80%) як розрахункових, так і пропонованих різними джерелами зусиль притискання вигладжувача до оброблюваної поверхні проводились дослідження з зусиллями: 60, 90, 120, 150, 180 і 250 Н.

Контроль параметрів шорсткості оброблених поверхонь здійснювався оперативно приладом Surtronic 10Ra (Англія) покроково у поперечному і поздовжньому напрямках (25 місць у кожному напрямку). Статистична обробка чисельних результатів вимірювань з побудовою щільності розподілу ймовірності дала можливість визначити оптимальні зусилля притискання вигладжувача для загартованих сталей, чавунів і незагартованих чавунів.

Ці зусилля становлять: для загартованої сталі 40Х (50…54 HRCэ), Р = 120...150 Н; для загартованого чавуну СЧ21 (45…50 HRCэ), Р= 120...130 Н; для незагартованого чавуну СЧ21 (НВ 170…241), Р = 60...90 Н.

З метою визначення ступеню впливу спадковості вихідної шорсткості і макровідхилень площини заготовки на результат фінішної обробки комбінованим методом були використані при проведенні експериментів заготовки з шорсткістю поверхонь Ra=2,5; Rz=20; Rz=180-200 і відхиленням від площинності, відповідно, 0,03 мм, 0,2 мм і 0,5 мм. Суттєвого впливу на шорсткість обробленої поверхні не було зафіксовано.

Результати досліджень впливу шорсткості поверхні, отриманої безпосередньо перед вигладжуванням, (після чистового стругання) на остаточну шорсткість поверхні обробленої комбінованим методом зображені на рис. 9.

Ця залежність підтверджується результатами досліджень

де – вихідна шорсткість перед вигладжуванням;– границя міцності оброблюваного матеріалу на контакті;– діаметр індентора; – швидкість вигладжування; – подача на оберт.

У четвертому розділі наведені результати кореляційного і спектрального аналізів профілограм оброблених поверхонь, отриманих на профілографі-профілометрі мод. Talysurf 6. За допомогою цієї вимірювальної системи були отримані профілограми, гістограми щільності розподілу, закони розподілу параметрів шорсткості, розраховані параметри Rt1 Rt5 Ra, Rq, Ry, Rt, Ru, Rp, Sm, q, (Del ), Rsk, Rku, S, R3z, Rpm, R3y, а також 1150 значень ординат на довжині п’яти базових довжин (0,25 5 = 1,25 мм).

Такий масив інформації надав можливість провести порівняльний аналіз характеристик шорсткості поверхонь, оброблених комбінованим методом і шліфуванням (з виходжуванням). Поверхні з практично однаковим значенням Ra, але оброблених різними методами, мають різні експлуатаційні характеристики: час припрацювання до отримання рівновагової шорсткості, інтенсивність зношування, коефіцієнт тертя, міцність з’єднань тощо.

Була отримана також кореляційна функція, розрахована за допомогою нелінійної математичної моделі:

де

В додатках до роботи наведено тринадцять профілограм з апаратною обробкою результатів вимірювання параметрів шорсткості оброблених поверхонь.

Порівняння показників шорсткості поверхонь, оброблених за різними технологічними процесами (різанням з вигладжуванням і шліфуванням) свідчать про переваги комбінованого методу перед традиційним. Так, середній крок місцевих виступів профілю Si середнє значення кроку нерівностей профілю в межах базової довжини Sm збільшено, відповідно, з 7,6 до 17,3 мкм і з 16,2 до 49,5 мкм, що позитивно впливає на експлуатаційні властивості поверхонь, оброблених комбінованим методом. Цьому також сприяє збільшення відносної опорної довжини профілю з tp=50% до tp=74%.

Визначення оптимальних режимів обробки комбінованим методом розглянуто не тільки з точки зору отримання потрібних якісних показників поверхонь, але й з економічної доцільності процесу. За основу прийнято собівартість партії деталей з врахуванням тільки змінних статей витрат. Ключовим питанням собівартості є, за визначенням академіка Дікушина В.І., продуктивність формоутворення, виміряна середньою величиною площі поверхні деталі, яка утворюється в одиницю часу. Час формоутворення (машинний час) будь-якої поверхні визначається за формулою: де – кількість операцій, необхідних для обробки поверхонь з потрібною точністю і якістю поверхневого шару; – розрахункова довжина обробки у напрямі подачі на і-й операції, мм; – кількість проходів на і-й операції; – хвилинна подача на і-й операції.

Скорочення часу формоутворення комбінованим методом обробки порівняно з чистовим торцевим фрезеруванням відбувається за рахунок зменшення розрахункової довжини обробки.

де – довжина деталі; – довжина ділянки врізання; – довжина ділянки перебігу інструменту відносно оброблюваної поверхні.

Для чистового торцевого фрезерування

Для комбінованого інструменту

(у 67 разів).

За однакових режимів обробки час формоутворення чистовим торцевим фрезеруванням порівняно з удосконаленим методом значно більший. Як показали дослідження, для досягнення однакової шорсткості поверхні можливо застосовувати подачі при комбінуванні різання з ППД у 1,52 рази вищі, аніж при чистовому фрезеруванні.

В четвертому розділі сформульовані також основні технічні вимоги до верстатів, що можуть бути використані для удосконаленого комбінованого методу обробки і конструктивні особливості деталей, які можливо обробляти цим методом. Відстань від краю оброблюваної поверхні і найближчим виступом заготовки має бути не менша: де– зовнішній діаметр інструменту з врахуванням захисного кожуху;– максимальна ширина оброблюваної поверхні;– гарантований зазор ( 20 мм).

Впровадження у виробництво удосконаленого методу фінішної обробки плоских поверхонь проводилось на деталях з загартованої сталі 45 і незагартованого чавуну СЧ20, які належать до переліку відповідальних деталей верстатної продукції ВАТ “Мікрон”.

Результати впровадження підтвердили високу ефективність комбінованого методу фінішної обробки плоских поверхонь деталей і надали можливість розробити рекомендації щодо раціонального його використання і подальшого удосконалення. Акцентовано увагу на підготовку верстата, особливості монтажу комбінованого інструменту на шпинделі і прийомах зближення інструменту з оброблюваною поверхнею.

Запропоновано емпіричну залежність для визначення величини подачі:

де – подача, мм/об; – радіус сфери вигладжувача, мм;– необхідна шорсткість поверхні, яка піддається обробці, мкм.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На базі проведеного теоретичного аналізу існуючих комбінованих методів фінішної обробки плоских протяжних поверхонь деталей різанням і ППД та інструментів для їх здійснення удосконалено метод, об'єднанням торцевого ступінчастого фрезерування, чистового стругання і ППД, в якому траєкторія руху чистового різця співпадає з траєкторією руху вигладжувача, і є прямолінійною, перпендикулярною до вектора подач.

2. Теоретично визначено і експериментально доведено переваги кінематичного перетворення колової траєкторії руху чистового різця і вигладжувача у прямолінійну, перпендикулярну до вектора подач заготовки при комбінуванні різання з ППД, що забезпечує отримання рівномірної шорсткості по ширині обробленої поверхні.

3. Розроблена конструкція комбінованого інструменту з рухомим відносно його корпусу чистовим різцем і вигладжувачем, з забезпеченням регулювання зусилля притискання вигладжувача до оброблюваної поверхні, а також вильоту кожного з формоутворюючих елементів з точністю 0,01мм. Порівняно з відомими конструкціями інструментів передбачено розвантаження шпинделя від циклічної дії пружини притискання повзунів до поверхні копіру та забезпечено запобігання затирання формоутворюючих елементів обробленою поверхнею.

4. Експериментально доведено:–

позитивний вплив на якість оброблених поверхонь зміни кутів різання, швидкості руху чистового різця і провертання вигладжувача. Отримано рівномірну по ширині оброблюваної поверхні шорсткість;–

порівняно з торцевим чистовим фрезеруванням і наступним вигладжуванням, здійснюваними традиційними методами, підвищено стійкість чистового різця і вигладжувача на 20-25%, за рахунок зменшення кількості врізань-виходів, рівномірності зношення передньої і задньої поверхні чистового різця і сфери індентора через його провертання відносно оброблюваної поверхні, а також за рахунок застосованого матеріалу АКТМ®.

5. Визначені оптимальні режими обробки поверхонь деталей удосконаленим комбінованим методом, що поєднує торцеве ступінчасте фрезерування, чистове стругання і вигладжування, в залежності від матеріалу і термообробки заготовки.

Встановлені ефективні зусилля притискання вигладжувача до обробленої поверхні в залежності від матеріалу заготовок:

для сталі 40Х (50…54 HRCэ) – 120...150 Н;

для чавуну СЧ21 (45…50 HRCэ) – 120...130 Н;

для чавуну СЧ21 (170…241 HВ) – 60...90 Н.

Забезпечено отримання стабільної шорсткості плоских протяжних поверхонь деталей з загартованих сталей, чавунів і незагартованих чавунів в межах Ra 0,1…0,4.

6. Розроблений новий спосіб зближення інструменту з оброблюваною поверхнею, який забезпечує точну (±0,01мм) і безпечну установку інструменту на глибину різання з врахуванням відхилення від площинності і похибки закріплення заготовки.

7. Встановлено відсутність впливу коливання припуску і вихідної шорсткості поверхні, що обробляється комбінуванням різання з ППД удосконаленим методом, на параметри шорсткості поверхні після обробки.

8. Впровадження удосконаленого методу фінішної обробки плоских поверхонь деталей верстатів на Одеському заводі прецизійних верстатів ВАТ "Мікрон" згідно з договором №297 від 2.06.2003р (номер державної реєстрації РК0104V003517) забезпечило підвищення продуктивності обробки до 35% з умовним річним економічним ефектом 48700 грн.

9. Подальше удосконалення комбінованого методу обробки плоских протяжних поверхонь полягає у створенні необхідного рельєфу поверхонь за рахунок зміни конструкції інструменту, використання впливу релаксаційних процесів між чистовим проходом і вигладжуванням за рахунок регулювання відстаней від осі обертання комбінованого інструменту до чистового різця і вигладжувача, у зміні вигладжування на обкочування роликами або кульками, дослідженні поверхневого шару металу деталі, обробленої комбінованим методом (залишкові напруження, мікротвердість, структура тощо).

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Анотація

Лоєв В.Ю. Удосконалення фінішної обробки плоских поверхонь деталей комбінуванням різання з поверхневим пластичним деформуванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, Київ, 2005.

Дисертацію присвячено удосконаленню фінішної обробки плоских протяжних поверхонь деталей з загартованої сталі, загартованого і незагартованого чавуну комбінуванням різання з ППД спеціальним інструментом, оснащеним надтвердим матеріалом. В одному проході об’єднано торцеве ступінчасте фрезерування, чистове стругання зі змінювальними кутами і швидкістю різання, а також поверхневе пластичне деформування вигладжуванням з проворотом індентора відносно оброблюваної поверхні. Проаналізовані існуючі комбіновані методи обробки і інструмент для їх впровадження, з’ясовані причини, стримуючі впровадження у виробництво різання у комбінації з ППД.

На основі цього аналізу розроблено новий метод комбінування лезової обробки з ППД і інструмент для його здійснення. Проведені дослідження розробленого методу і впровадження в умовах реального виробництва.

Ключові слова: фінішна обробка плоских поверхонь, комбінування різання з вигладжуванням, чистове стругання.

Аннотация

Лоев В.Е. Усовершенствование финишной обработки плоских поверхностей деталей комбинированием резания с поверхностным пластическим деформированием. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – Процессы механической обработки, станки и инструменты. – Институт сверхтвёрдых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена усовершенствованию комбинированного метода финишной обработки плоских протяженных поверхностей деталей из закалённых сталей, закалённых и незакалённых чугунов сконструированным специальным инструментом, оснащённым сверхтвёрдыми материалами, в котором объединены в один проход ступенчатое торцовое фрезерование, чистовое строгание и поверхностное пластическое деформирование. При этом основная часть припуска на обработку удаляется жёстко закреплёнными режущими элементами, расположенными в корпусе инструмента на разных от оси его вращения расстояниях, образующих пять логарифмических спиралей. Чистовой припуск удаляется методом строгания. При вращении комбинированного инструмента чистовой резец совершает прямолинейное движение перпендикулярное вектору подач заготовки. По той же траектории и в том же направлении движется выглаживатель. За один оборот инструмента после полного врезания осуществляется один полный цикл.

Преобразование кругового движения чистового резца и выглаживателя осуществляется с помощью неподвижно закреплённого копира. В результате такого преобразования в процессе снятия чистового припуска происходит изменение углов резания, что способствует равномерности процесса изнашивания чистового резца.

Преобразование кругового движения выглаживателя в прямолинейное вызывает его проворот относительно обрабатываемой поверхности, что также обеспечивает равномерный износ сферической части индентора. Кроме того обеспечивается равномерность шероховатости обрабатываемой поверхности по ширине заготовки. Режущие элементы изготовлены из гексанита – Р, а выглаживающий – из АКТМ.

Исследования проводились не только на специально подготовленных заготовках, но и на заготовках деталей станочной продукции ОАО “Микрон”, г. Одесса.

Эксперименты проводились на вертикально-фрезерных станках и обрабатывающих центрах, доведенных до паспортных норм точности. При обработке комбинированным методом стальных закалённых, чугунных закалённых и незакалённых заготовок деталей получена шероховатость в пределах Ra = 0,1…0,4 мкм.

Углублённый анализ качества обработанных поверхностей снятием и обработкой профилограм показал стабильность процесса получения низкой шероховатости, незначительное влияние исходной (перед обработкой) шероховатости и макроотклонений поверхности, подлежащей обработке, т. е. наследственности.

Проведённые исследования износостойкости разработанного комбинированного инструмента подтвердили теоретическое ожидание снижения износа чистового резца и выглаживателя на 2025%.

Опыт внедрения разработанного комбинированного метода финишной обработки плоских поверхностей на ОАО “Микрон”, в сочетании с техническими рекомендациями по его совершенствованию показал возможность повышения производительности труда до 35%, а условный годовой экономический эффект составил 48700грн.

Ключевые слова: финишная обработка плоских поверхностей, комбинирование резания с выглаживанием, чистовое строгание.

Abstract

Loev V. E. Improvement of finish machining of flat extensive surfaces of parts by combining of cutting and surface plastic deforming. – Manuscript.

Dissertation for scientific degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.03.01. – machining processes, machine tools and tools. – Institute of Superhard Materials by the name of V.N. Bakul of NAS of Ukraine, Kyiv, 2005.

The dissertation is devoted to improvement of finish machining of flat extensive surfaces of parts, made of hardened steels, hardened and cast irons by combining of cutting and surface plastic deforming (SPD) by an on purpose designed tool, equipped by superhard materials. Within one cut there is combined stepped face milling, finish planning with variable angles and cutting speed and surface plastic deforming by smoothening with rotation of indenter around the surface being machined. The existing combined methods of machining and tools for their implementation are analyzed, the reasons which restrain introduction of cutting in combination with SPD are determined.

The new method of combining of cutting and SPD and tool for its implementation are developed on the basis of this analysis. Testing of the developed method and introduction in conditions of real industry were conducted.

Keywords: finish machining of flat surfaces, combining of cutting and smoothening, finish planning.

Підписано до друку 30.08.2005. Формат 60х90 1/16.

Друк офсетний. Папір друкарський.

Умовн. друк. арк. 0,9. Наклад 100 прим. Зам. №557.

Редакційно-видавничий відділ

Житомирського державного технологічного університету

10005, м. Житомир, вул. Черняхівського, 103