Технологическое обеспечение качества поверхности и производительности обработки ППД роликами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Отений, Ярослав Николаевич

• Отений, Ярослав Николаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Отений, Ярослав Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ВЛИЯНИИ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ППД РОЛИКАМИ НА ПРОИЗШДИТЕЛШОСТЬ и КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ. II

I.I. Анализ конструктивно-технологических параметров, формирующих качество поверхности при обработке ППД роликами II

1.E. Взаимосвязь между конструктивно-технологическими параметрами обработки и геометрией контактной зоны.

1.3. Влияние конструктивно-технологических параметров обработки и размеров детали на качество обработанной поверхности. . ¿

1.4. Проскальзывание в контактной зоне.

1.5. Влияние напряженно-деформированного состояния в очаге деформации на качество поверхностного слоя. вывода.

2. АНАЛИЗ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ СООТНОШЕНИЙ КОНТАКТНОЙ ЗОНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ.

2.1. Решение задачи нахождения полуширины контактной зоны от конструктивно-технологических параметров обработки.

2.2. Анализ зависимости полуширины контакта от конструктивно-технологических параметров.

2.3. Определение геометрии деформирующего ролика по заданным форме и размерам контактной зоны.

2.4. Определение объема контактной зоны, площади поверхности контакта, площади контакта для роликов произвольной конфигурации.

ВЫВОДЫ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИЧНЫХ СКОРОСТЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОГО ТЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА И КОНТАКТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В ОЧАГЕ ДЕФОРМАЦИИ.

3.1. Исследование влияния конфигурации ролика, его размеров и положения относительно детали на проскальзывание в контактной зоне.

3.2Л.Анализ зависимостей для определения проскальзывания.

3.2. Пластическое течение металла при различных случаях качения ролика.

3.2Л. Перемещение точек деформируемой поверхности при условии прилипания.

3.2.2.2. Перемещение точек деформируемой поверхности перпендикулярно поверхности ролика.

3.3. Сравнение различных случаев упруго-пластического течения металла и определение действительного перемещения точек деформируемой поверхности.

3.4. Определение напряженного состояния в контактной зоне.

3.5. Зависимости вытекающие из формул для проскальзывания и напряженного состояния в контактной зоне.

3.5.1. Определение усилия само затягивания.

3.5.2. Определение количества тепла, вццеляемого в контактной зоне.

3.6. Определение глубины упрочненного слоя для роликов произвольной конфигурации

3.6.1. Анализ влияния закона распределения напряженного состояния в контактной зоне на глубину упрочнения.

ВЫВОДЫ.

4. МЕТОДИКА, УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Выбор обрабатываемых материалов, характеристика образцов, оборудование и оснастка.

4.2. Инструмент для проведения экспериментальных исследований.

4.3. Методика определения глубины внедрения деформирующего ролика и упругого восстановления материала детали.,. III

4.4. Методика определения проскальзывания.

4.5. Результаты экспериментального исследования проскальзывания.

4.6. Результаты исследования шероховатости

4.7. Результаты экспериментального исследования глубины внедрения ролика в деталь. вывода.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

5»1. Анализ работы базового и внедренного инструментов в производственных условиях.

5.2. Устройства и инструменты для упрочняще-чистовой обработки цилиндрических поверхностей, внедренные в производство.

5.3. Обоснование оптимальной формы опорного конуса в многороликовых ротационных инструментах для обработки деталей ПЦД.,.

5.4. Инструменты перспективные для внедрения в производство

5.5. Выбор конструктивно-технологических параметров ППД роликами.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение качества поверхности и производительности обработки ППД роликами»

В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 гг. и на период до 2000 года" /I/ указано, что одним из главных направлений в реализации поставленных на ХХУП съезде КПСС задач является всемерное развитие машиностроения, совершенствование, разработка и освоение прогрессивных технологических процессов, обеспечивающих возможность повышения производительности обработки и качества выпускаемой продукции.

Ежегодно в нашей стране выпускаются миллионы цилиндрических деталей. Только в объединениях "Карагавдагормаш" и "Караганда-уголь1' выпускаются ежегодно свыше 100 тыс, гидростоек и сотни шахтных комплексов, содержащих гвдроцилиндры и штоки.

На финишных операциях при обработке таких деталей находит широкое применение один из наиболее простых и экономичных ввдов обработки - поверхностное пластическое деформирование (ГЩД). Применение /этого метода позволяет существенно изменить качественное состояние поверхностного слоя, заключающееся в уменьшении шероховатости и создании заданного микропрофиля поверхности, повше-нии усталостной прочности, износостойкости трущихся поверхностей, увеличении контактной жесткости, ГЩД нашло широкое применение во многих отраслях машиностроения при изготовлении деталей из углеродистой стали, чугуна, цветных металлов, а также закаленных сталей.

В настоящее время благодаря работам Азаревича Г.И., Алексеева П.Г., Браславского В.М., Жасимова М.М., Папжева Д.Д., Проскурякова Ю.Г., Рыжова Э.В., Суслова А,Г,, Чистесердова П.С. и других получены многочисленные результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса ПЦД, позволяющие обоснованно подходить к назначению режимов и условий обработки.

Однако для ПЦД в целом и для обработки цилиндрических поверхностей роликами и шариками в частности характерно, что окончательный результат формирования поверхностного слоя зависит от значительного количества конструктивно-технологических параметров. Это значительно затрудняет выбор оптимальных режимов обработки и геометрии деформирующих роликов. В связи с этим, как указывалось на семинаре по современным видам обработки металлов давлением/52/, несмотря на достаточную изученность процесса ПОД для дальнейшего изыскания ресурсов повышения производительности и качества обработанной поверхности необходимо создание более строгих основ теории процессов поверхностного пластического деформирования металлов и совершенствование оборудования и инструментов для операций ППД. Эта задача может быть успешно решена на основе обобщения уже имеющегося экспериментального материала и исследования взаимосвязи между геометрией деформирующих роликов, их положением относительно детали, геометрией контактной зоны и физико-механическими процессами, протекающими в контактной зоне.

На важность проблемы определения взаимосвязи между геометрией деформирующих роликов и геометрией контактной зоны указывалось в работах Жасимова U.U., Коновалова E.F., Папшева Д.Д., Шне^дера С.Г., Школьника Л.М., Ящерицына H.H. и других авторов.

Изменение геометрии роликов и их положения относительно детали вызывает изменение проскальзывания в контактной зоне между роликом и деталью. Влияние проскальзывания применительно к ГЩД мало-изучено, в то время как в литературе, относящейся к исследованию трения при качении роликов, имеются многочисленные сведения о том, что при трении, которым сопровождается качение, происходят существенные качественные изменения поверхности /17, 37, 48, 78, 80, 81/.

Изучение проскальзывания при ППД позволило бы найти резервы повышения качества и производительности обработки. Учет проскальзывания, кроме того, позволяет более полно определить напряженное состояние в контактной зоне.

Напряженно-деформированное состояние в контакте между роликом и деталью ниаболее существенно влияет на показатели качества. При определении напряженного состояния используются положения и выводы теории упругости и пластичности /18, 63, 65, 68, 70/, При этом, как правило, рассматривается статическое внедрение ролика в обрабатываемую деталь, в то время как процесс деформирования при качении ролика является динамическим и характер деформации существенно отличается от статического вдавливания. Однако, если определена кинематика перемещения точек деформируемой поверхности, то это позволяет выразить усилие деформирования через перемещения или скорости точек деформированной поверхности.

Целью диссертационной работы является изыскание и использование резервов повышения производительности ПЦЦ при обеспечении заданного качества обработки.

Для реализации цели выполнены исследования в следующих направлениях:

- исследована геометрия контактной зоны в зависимости от конфигурации, размеров и положения деформирующих роликов относительно поверхности детали (гл.2);

- исследовано пластическое течение металла в контактной зоне (гл.З), получены зависимости для определения проскальзывания в контактной зоне (гл.З) и проведены экспериментальные исследования проскальзывания (гл.4);

- на основе установленных зависимостей для пластического течения металла и проскальзывания, а также геометрии контактной зоны определено напряженное состояние в зоне контакта (гл.З), получены зависимости для вычисления усилия самозатягивания и количества тепла, выделяемого при упруго-пластическом деформировании (гл.З);

- получены аналитические зависимости для определения глубины упрошенного слоя для роликов произвольных размеров и конфигурации, в которых учтен характер распределения напряжений в области контакта и приведенная кривизна ролика и детали;

- разработаны алгоритмы расчета на ЭШ площади и объема контактной зоны, усилия деформирования, усилия самозатягивания, количества тепла, ввделяемого в контактной зоне, глубины упрошенного слоя (приложение); разработана методика забора технологических параметров и геометрии роликов, обеспечивающих стабильное качество и производительность обработки;

- произведен анализ работы инструмента в производственных условиях, выявлены его недостатки, показана необходимость изменения формы опорного конуса в роликовых раскатниках и обкатниках, разработаны конструкции более совершенных инструментов и устройств, обеспечивающих стабильное качество обработки при повышенной производительности (гл.5). Конструкции защищены авторскими свидетельствами на изобретения*

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Зависимости для определения геометрических параметров контактной зоны: полуширины, объема, площади поверхности от радиуса детали и произвольных размеров и конфигурации деформирующих роликов. Зависимости для определения размеров, конфигурации роликов от заданной формы и размеров контактной зоны.

2. Зависимости для определения перемещений и скоростей пластического течения металла в контактной зоне и проскальзывания, напряженного состояния, выраженного через перемещения точек деформируемой поверхности, усилия деформирования, усилия самозатягивания и количества тепла, ввделяемого в зоне контакта.

3. Методика и результаты экспериментального исследования проскальзывания.

4. Зависимости для определения глубины упрошенного слоя с учетом приведенной кривизны детали и ролика произвольной конфигурации, а также характера распределения напряженного состояния в контактной зоне.

5. Методика расчета оптимальной геометрии деформирующих роликов при заданных параметрах качества обработанной поверхности. Зависимость для определения оптимальной формы опорного конуса в роликовых раскатниках и обкатниках.

Научнаяновизнаработы, Определены геометрические соотношения контактной зоны для роликов произвольных конфигурации и положения относительно поверхности детали, получены зависимости для их вычисления, исследовано пластическое течение металла, получены зависимости для вычисления поля перемещений и скоростей точек деформируемой поверхности, определено напряженное состояние в контактной зоне, доказано как теоретически, так и экспериментально наличие проскальзывания, определено влияние проскальзывания на шероховатость поверхности детали. Полученные аналитические зависимости для вычисления глубины упрочненного слоя позволяют учитывать размеры и конфигурацию деформирующих роликов, а также характер распределения напряжений в контакте. Обоснована оптимальная форма опорного конуса.

Практическая ценность результатов исследований заключается в разработке методик расчета геометрии контактной зоны для различных параметров обработки, расчета инструмента для ПЦЦ, работающего в условиях режима самозатягивания, расчета размеров деформирующих роликов при заданной глубине наклепанного слоя.

Реализация результатов работы. В объединениях "Карагандагор-маш" и "Карагандауголь" внедрены инструменты и устройства для обработки штоков и конусов цилиндров шахтных гвдростоек и конусов длинномерных гидроцилиндров. В результате внедрения инструментов получено повышение производительности в 1,7 раза, а при обработке

10 цилиндров шахтной гидрокрепи обеспечена возможность обработки от верстий гидроцилиндров длиной до 7000 мм при заданном качестве поверхности.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ВЛИЯНИИ КШСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЦЦ РОЛИШИ НА ПРОИЗВСДИТЕЛЬНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

1,1. Анализ конструктивно-технологических факторов, формирующих качество поверхности при обработке ПЦЦ роликами

Изучению особенностей ПОД и его влияния на качество поверхности деталей машин посвящено много исследовательских работ, выполненных как у нас в стране, так и за рубежом /2, 3, 4, 5, 16, 17, 19, 25, 26, 27, 36, 38, 39, 41, 44, 50, 53, 54, 58, 60, 62, 64, 69, 74, 75, 77/. Обеспечение*оптимального наклепанного слоя методами ПЦЦ занимается школа И.В.Кудрявцева. Изучению влияния на качество поверхностного слоя обработкой шариками уделено большое внимание в работах Д.Д.Пашпева, вопросам обеспечения контактной прочности и контактной жесткости, получения низкой шероховатости и заданного микропрофиля посвящены работы Э.В.Рыжова /60, 61, 62/, А.Г.Суслова /64/, Ю.Г.Шнейдера /74/ и других авторов.Изучению взаимосвязи кинематики и динамики процесса деформирования с качеством обработки посвящены работы П.Я.Ящерицина /77/.

К настоящему времени накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, в котором рассматривается влияние конструктивно-технологических параметров на производительность и качество обработки. В результате этого показано, что качество поверхностей деталей зависит от значительного количества параметров обработки: подачи, скорости деформирования, числа проходов, геометрии и размеров деформирующих роликов, углов самоэатягивания и внедрения, глубины внедрения ролика в обрабатываемую деталь, усилия деформирования, исходной шероховатости, твердости материала детали и других факторов.

В связи со значительным разнообразием факторов и условий обработки на Всесоюзной конференции по проблемам ПОД /50, 52/ указывалось на необходимость обобщения полученного материала и создания более строгих основ теории процессов поверхностного пластического деформирования и совершенствование» имеющего невысокое качество, нестандартного оборудования, как правило, индивидуально изготавливаемого на различных предприятиях /50/.

Анализ литературных источников показывает, что ряд параметров, определяющих качество поверхностного слоя является совокупностью величин, зависящих в определенной степени друг от друга.

На основе литературных данных составлена табл.1, в которой приведена схема связей конструктивно-технологических параметров поверхности параметров обработки и показателей качества при ПОД. В этой таблице и дальше по тексту приняты следующие обозначения: Р - усилие деформирования, кН; Ы - угол самозатягивания, град; У - угол внедрения, град;

- максимальная глубина внедрения ролика в деталь, мм;

- количество проходов инструмента;

- скорость деформирования, м/мин;

- продольная подача инструмента, мм/мин;

- радиус роликов, мм;

Z¿ - заходный радиус у конических роликов или профильный радиус у профильных роликов, мм; & - угол конусности конических роликов, град;

- длина пояска у цилиндрических роликов, мм; - функция изменения радиуса ролика по длине контакта, определяющая его конфигурацию, мм; £ радиус детали, мм;

- предел текучести исходного материала, Мн/ы^;

- предел прочности исходного материала, Мн/м^;

Рисх - исходная шероховатость, мкм;

- исходная микротвердость поверхности детали, 0/7 - наличие окиеных пленок;

П - температура в контактной зоне, град; Сож - смазываще-охлаждающая жидкость; ¿Глр - скорость проскальзывания в контактной зоне, мм/с;

- функция изменения полуширины контактной зоны по длине контакта, определяющая ее форцу, мм; максимальные значения полуширины и длины контакта, определяющие размеры контактной зоны, мм; 3 - объем металла, вытесняемого из контактной зоны, мм ; ^ - площадь контакта, мм*";

- площадь поверхности контакта, ы«2; р

- распределение напряжений по площади контактной зоны, кН/мм ; £ - распределение относительных деформаций по площади контакта; шероховатость после обработки ПЦЦ, мкм;

- глубина наклепанного слоя, мм;

МV - степень упрочнения; . г& - волнистость обработки после обработки ПЩ, мкм; ¿?/7 - слабо влияющий параметр;

Л/ - малоисследованный параметр или сведения отсутствуют.

Таблица построена таким образом, что влияние одних параметров на другие определяется только по направлению стрелок, проставленных на соединяющих эти параметры и показатели отрезках. Стрелки, проставленные на отрезках в противоположных направлениях, указыва-вают на взаимнооднозначное соответствие. Точки на пересечении отрезков означают, что они пересекаются между собой, то есть можно переходить с одного отрезка на другой.

На основе анализа взаимосвязей между параметрами, от которых зависит качество обработанной поверхности, установлено, что вся

I4

Таблица I

Схема взаимосвязи между конструктивно-технологическими параметрами, физико-механическими явлениями, геометрией контакта и качеством поверхности совокупность конструктивно-технологических параметров и исходные параметры поверхности оказывают влияние на формируемые показатели качества. Механизм влияния может быть раскрыт на основе изучения физико-механических явлений, возникающих в контактной зоне в процессе ПЦЦ.

Вся совокупность параметров, определяющих эти явления, условно разбита на четыре группы, сходные по общим признакам, в которые входят:

- параметры, влияющие на качество поверхности (технологические параметры обработки, конструктивные, параметры роликов, исходные параметры поверхности);

- показатели геометрии контактной зоны (размеры, форма контакта, объем металла, вытесняемый из контактной зоны, площадь контакта, площадь поверхности контакта);

- показатели физико-механических процессов в контактной зоне (напряженно-деформированное состояние, проскальзывание, количество тепла при деформировании);

- показатели качества.

Из этой Таблицы также ввдно, что малоисследованными и неисследованными применительно к ПЦЦ являются такие вопросы, как определение конфигурации ролика от заданных формы и размеров контактной зоны, характера проскальзывания, распределения напряжений и деформаций в контактной зоне, угла самозатягивания. Не определены такие геометрические параметры контактной зоны, как площадь поверхности контакта, объем контактной зоны, форма контакта для произвольного ролика. Не изучено влияние параметров обработки, входящих в первую и вторую группы, которые определяют физиконмеханичее-кие процессы в контактной зоне и геометрию контактной зоны, поэтому исследование взаимосвязи между конструктивно-технологическими параметрами, геометрией контактной зоны и физико-механическими процессами в контактной зоне позволит изыскать резервы повышения качества и производительности обработки поверхностным упрочнением.

1.2. Взаимосвязь между конструктивно-технологическими параметрами обработки и геометрией контактной зоны

Меэду размерами, формой и другими геометрическими параметрами контактной зоны,с одной стороны,и геометрией и размерами роликов, их положением относительно детали, размерами детали, механическими свойствами обрабатываемого материала и различными режимами обработки, с другой стороны, существует сложная взаимосвязь.

Поскольку в производственной практике наибольшее распространение получили инструменты, использующие деформирующие элементы в веде тел вращения, геометрическая форма которых является шаром, тором, цилиндром, конусом или роликами, составленными из этих тел, то известные исследования по геометрии контактной зоны при ППД /2, 3, 26, 53, 54/ были направлены на изучение геометрии контактной зоны применительно к этим телам.

Известные решения по геометрии контактной зоны /3, 53, 54/ в основном сводятся к определению площади контакта. Площадь контакта для шарика определена Д.Д.Папшевым /53, 54/, который при выводе полагал, что в качестве площади контакта необходимо принимать не статический отпечаток, имеющий вид эллипса при внедрении шарика в цилиндрическую деталь, а проекцию эллипсоида на плоскость, перпендикулярную нормальной силе. Из этого ввдно, что для определения площади контакта необходимо знать направление нормальной силы. Это направление может быть определено либо экспериментально, либо аналитически через распределение величин и направлений контактных напряжений. В последнем случае необходимо знать форму и размеры контакта, то есть по существу площадь контакта. В большинстве же случаев площадь контакта определяется для того, чтобы вычислить усилие деформирования и среднее давление.

Методика определения площади контакта для шарика была обобщена П.Г.Алексеевым для определения площади контакта при обработке типовыми роликами, представляющими собой тела вращения типа тора, цилиндра, конуса и роликов, составленных из этих тел /2,3/. Недостатком этих методик следует считать ограниченность применения, так как не рассматривается другие важные геометрические параметры контактной зоны, такие как объем вытесняемого из контактной зоны металла, площадь поверхности контакта, а также зависимость изменения полуширины контакта вдоль линии контакта, что важно при решении ряда аналитических задач, касающихся процесса обработки. Кроме того, эти зависимости непригодны при определении площади контакта для деформирующих роликов, имеющих произвольную конфигурацию, отличающихся от перечисленных выше.

Ряд исследователей /3, 36, 77/ полагает, что на геометрию контактной зоны существенное влияние оказывает характер пластического течения металла, особенность которого заключается в том, что металл поверхностного слоя, попадая под деформирующую часть ролика находится в состоянии всестороннего сжатия. Следуя закону наименьшего сопротивления металла тече$ из области максимального давления в область минимального давления. Течение металла принципиально возможно во всех направлениях, в результате чего вокруг ролика образуется волна металла.

Величина волны при больших нагрузках на ролик может достигать нескольких миллиметров. По менению -П.Г.Ящерицина величина и форма упруго-пластической волны имеют большое теоретическое и практическое значение, так как величина и форма волны существенно влияют на течение и напряженно-деформированное состояние металла в очаге деформации, а пластическая составляющая волны участвует в формировании микропрофиля обработанной поверхности, /77/.

Высота волны металла зависит от разных факторов. Исследования показали, что в общем случае высота волны зависит от пластичности обрабатываемого металла детали, натяга, исходной шероховатости, геометрии деформирующего ролика. С увеличением твердости обрабатываемого материала высота волны уменьшается. Связь между высотой волны в окружном, осевом направлениях и геометрией ролика проявляется по-разному: в осевом направлении основное влияние оказывает заходный радиус, в окружном направлении - радиус ролика. Взаимосвязь между условиями обработки и геометрическими параметрами волны настолько сложная, что ее определяют только экспериментально /36, 77/.

На рис.1.1 показаны некоторые зависимости изменения высоты волны в окружном и осевом направлениях от ролика /36/.

Первоначально полагали, что волна образуется за счет пластического оттеснения металла, а ее высоту определяли при статическом вдавливании ролика в деталь. Однако результаты экспериментальных исследований кинематики качения ролика, приведенные в /77/ опровергают этот факт. Было показано, что волна является упруго-пластической, причем соотношение между упругой и пластической составляющими имеют один и тот же порядок (рис. 1.2) /77/.

Так как волна образуется в непосредственной близости от поверхности ролика, то ее влияние на геометрию контакта может оказаться весьма существенным.

Геометрия контактной зоны зависит от положения деформирующего ролика, которое можно задать тремя величинами: углом внедрения, углом самозатягивания и глубиной внедрения.

При внедрении деформирующего ролика глубина внедрения пропорциональна усилию деформирования, поэтому, чем больше глубина внедрения, тем больше площадь контакта. Значительное влияние на пло

Зависимости изменения высоты волны от шероховатости, диаметра ролика и усилия деформирования ь* во 60 40 20

Т 1 7 9

I-1-1-1-1

20 40 60 &0 Кж,тм

1,2-ёысотаЬолныб окружном направлении ; 3,4,5 - высота Волны 3 осе3ом направлении, 4,5- для натяга, 42); 2- для отношения -Я/й ; 4 - для предшестбующед шерохоВатости; 3 -для деформирующего радиуса ролика .

Рис л л к мм 0,08 ом

0,6 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Р,кн - высота упруго пластической Волны ; 2-упругой; 3-пласт ической состабляющей.

Рис.1.2 \ \

45 \ \ \ // •'б ч

0,02 0,04 0,06 ом Ь£,мм щадь контакта оказывает тапке задний угол. Так, например, при изменении заднего угла в пределах от 0,2 до I градуса, площадь контакта может измениться в несколько раз /74/. Относительно влияния на геометрию контакта угла самозатягивания в литературе, относящейся к ППД, сведения не обнаружены. Возможно это связано с тем, что в производственной практике угол самозатягивания устанавливают исходя из величины продольной подачи с таким расчетом, чтобы за счет усилия самозатягивания компенсировать усилие подачи. В перерасчете на угол самозатягивания для самых максимальных значений продольной подачи (I.2 мм/об) этот угол не превышает 3 градуса. Однако допущение того, что этот угол практически не влияет на геометрию контакта требует, по крайней мере, соответствующего обоснования.

Значительное количество факторов, от которых зависит геометрия контактной зоны привело к тому, что некоторые авторы предлагают описывать контактную зону некоторым обобщающим параметром, который бы являлся функцией основных конструктивно-технологических параметров обработки. В частности, в работе /77/ предлагается за такой параметр выбрать объем вытесняемого из контактной зоны металла. Имеется и другой подход. В настоящее время каждому исследованию предпослано подробнейшее описание применяемого инструмента, поэтому, как полагает Е.Г.Коновалов, чтобы не описывать подробно инструмента и условия обработки на пути упрощений и схематизации зоны контакта имеется реальная возможность вьщелить простейшие элементы, из которых затеи может быть построена любая из существующих схем обработки. При рассмотрении фиэико-механических явлений в зоне контакта и определении технологических параметров обработки нет необходимости описывать не только инструмент, но и форму деформирующего ролика» Начальные условия в зоне контакта можно однозначно задать формой контакта и его положением относительно деформируемой заготовки. Схематизация процесса, основанная на правильном представлении о явлениях, совершающихся в поверхностных сдоях могла бы облегчить обобщение экспериментальных данных и дать математическое описание задач упрочняюще-чистовой обработки* Однако на этом пути отсутствуют надежные теоретические результаты. Кроме того задание определенного идеализированного отпечатка предполагает и задание условий обработки,которые при реальной обработке обеспечивали бы этот контакт*

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Отений, Ярослав Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате теоретических исследований произведен анализ конструктивно-технологических параметров обработки на геометрические параметры контактной зоны. Получены функциональные зависимости для определения по заданной конфигурации и положению деформирующего ролика относительно цилиндрической детали геометрических параметров контактной зоны (зависимости изменения полуширины контакта по его длине, площади контакта, поверхности контакта, объема контакта) и определения конфигурации и размеров ролика по заданной форме и размерам контакта. Полученные зависимости могут быть использованы для расчетов при обработке вала и отверстия, а также учесть влияние волны металла, образуемого впереди ролика. Показано, что при обработке роликом меньшим основанием при одной и той же глубине внедрения ролика площадь контакта, по сравнению с обработкой большим основанием, может быть уменьшена на 20%. С уменьшением начального радиуса ролика разность в площадях контакта может достигать 16%. Показано, что объем контактной зоны может служить обобщающим параметром, описывающим условия обработки.

2. Исследовано пластическое течение металла в контактной зоне. Получены зависимости для определения поля скоростей и перемещений точек деформируемой поверхности. Установлена взаимосвязь поля перемещений точек деформируемой поверхности с напряженным состоянием в очаге деформации и геометрией контактной зоны.

3. Теоретически и экспериментально доказано наличие проскальзывания между поверхностями ролика и детали. Получены зависимости для его определения. Показано, что проскальзывание обуславливает определенное качество поверхности и зависит от угла самозатягивания, угла внедрения, глубины внедрения и конструктивных параметров ролика. Характер проскальзывания отличается от скольжения при выглаживании, что определяет разницу в формировании качества поверхности. Аналитические зависимости для проскальзывания позволяют определить другие параметры процесса деформирования - количество тепла, выделяемого при трении в контактной зоне и усилие самозатягивания инструмента в зависимости от угла внедрения и самозатягивания.

4. Экспериментально установлено, что разворот ролика на угол внедрения и самозатягивания приводит к изменению шероховатости.

С увеличением угла внедрения шероховатость имеет явно выраженный минимум. При увеличении угла самозатягивания до 3 градусов шероховатость уменьшается. Уменьшение шероховатости происходит также при установке ролика меньшим основанием в направлении подачи, что объясняется наличием проскальзывания и уменьшением площади контакта.

5. На основании исследований геометрии контактной зоны и напряженно-деформированного состояния в золе контакта. Выведены зависимости для определения глубины упрочненного слоя при обработке деформирующими роликами произвольных размеров и конфигурации с учетом приведенной кривизны роликов и детали. Произведен анализ этих зависимостей, на основании которого было установлено, что известная формула Хейфеца С,Г. во всех случаях должна давать завышенные результаты, что подтверждается экспериментальными исследованиями. Показана причина этого несоответствия.

6. В результате исследований работы инструмента в производственных условиях показано, что для обеспечения стабильной подачи и угла самозатягивания деформирующие ролики необходимо устанавливать меньшим основанием в направлении подачи.

7. На основании полученных в работе результатов с целью обеспечения точности и стабильности технологических параметров спроектировано несколько конструкций ротационных инструментов для обра

172 ботки деталей ДЦЦ. Обеспечение стабильности технологических параметров обработки позволило создать инструменты для совмещенной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием. На устройства и конструкции некоторых инструментов получено четыре авторских свидетельства. Для увеличения стойкости наиболее нагруженных деталей ротационного инструмента и обеспечения обосно вана необходимость применения опорного конуса, имеющего оптимальную форму рабочей поверхности, выполненную линейчатой.

8. Разработана методика выбора основных параметров геометрии деформирующих роликов.

9. Внедрение разработанного инструмента в производство позволило повысить производительность обработки минимум на 40% при обеспечении стабильного качества. Экономический эффект от внедрения составил 43 тыс.руб. в год.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Отений, Ярослав Николаевич, 2008 год

1. КПСС. Съезд (ХХУП; 1986; Москва). Материалы ХХУП съезда Коммунистической партии Советского Союза. - М.Политиздат, 1986.- 352 с.

2. Алексеев П.Г. Машинам быть долговечными. Тула; Тульское книжное изд-во, 1973,- 163 с.

3. Алексеев П.Г. Влияние упрочнения наклепом на износостойкость и надежность машин. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора техн.наук. М.:МВТУ, 1973, - 34 с.

4. Азаревич Г.М., Бернштейн Г.III. Чистовая обработка наружных цилиндрических поверхностей пластическим наклепом. М.: ОНТИ, НИИТракторсельмаш, 1973.

5. Азаревич Г.М. Чистовая обработка цилиндрических отверстий поверхностным пластическим деформированием. М.: ЦИИНТАМ, 1968,- 215 с.

6. Трение, изнашивание и смазка: Справочник в 2 кн. Кн.1 / Алисин В.В., Алябьев А.Я., Архаров A.M. и др. М.: Машиностроение, 1979. - 385 с.

7. Андреев A.B. Расчет деталей машин при сложном напряженном состоянии. М.: Машиностроение, 1981, - 216 с.

8. Бауман В.А., Отений Я.Н. Определение площади контакта при обработке ПОД // Технологические процессы, машины и аппараты в машиностроении. Караганда, 1980, - с.94.

9. Бауман В.А., Отений Я.Н. Устройство для обработки отверстий пластическим деформированием. Инф.листок № 82-10, Караганда, Карагандинский территориальн.ОНТИ, 1983. - 2 с.

10. Бауман В.А., Отений Я.Н. Кинематика точек поверхности деталей при обработке поверхностным деформированием. Деп., Казахский НИЙНТИ № 396, Алма-Ата, 1983, 1983. - 3 с.

11. А.с.780971 МКИ В23/в 29/02; В24В 39/02. Комбинированный инструмент / Бауман В.А., Отений Я.Н. ССССР). № 2709063/2508. Заявлено 20.11.78. Опубл.Бюл.№43.80г. - 2с.: ил.

12. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Изд-во "Наука", 1973, - 628 с.

13. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963.

14. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. -- Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1968, - 543 с,

15. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. М.: Машиностроение, 1975, - 160 с.

16. Браславский В.М. Волнистость поверхности при обкатке роликами // Станки и инструмент, i960, № 6, с.23-25.

17. Беляев Н.М. Метные напряжения при сжатии упругих тел // Инженерн.сооружения и строительная механика. Л.: 1976.

18. Бернштейн Г.Ш. Выбор конструктивных параметров многороликовых инструментов и режима чистовой обработки давлением // Размерно-чистовая и упрочняющая обработка деталей давлением. -М.: ЦИИНТАМ, 1963. С.58.62.

19. Глаголев Н.И. Сопротивление перекатыванию цилиндрических тел // Прикладная математика и механика, т.9, вып.4, 1945, -с.313.

20. Голего И.Л. Схватывание в металлах и методы его устранения Киев: Техника, 1965. - 231 с.

21. Глаголев ЩИ., Епифанов Г.И. Исследование кинетики деформирования упрочненного слоя при поверхностном наклепе металлов // Инженерно-технический журнал, т.П, 1959, № 3, с.28-35.

22. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. Пер. с англ. - М.: Мир, 1980, - 510 с.

23. Дрозд М.С. и др. Расчет глубины распространения пластической деформации в зоне контакта тел произвольной кривизны. / Федоров A.B., Сидякин Ю. // Вестник машиностроения, 1972, № I.- С.54-57.

24. Жасимов М.М. Управление качеством поверхностей деталей при поверхностном пластическом деформировании. Алма-Ата: Наука, 1986, 208 с.

25. Жасимов М.М. Законы распределения контактных давлений, деформаций и напряжений при поверхностном пластическом деформировании // Машиностроение, вып.5, Алма-Ата: Каз.ПТИ, 1976,- сЛ16-130.

26. Определение глубины вдавливания инструмента в поверхность детали при поверхностном пластическом деформировании. / Жасимов М.М., Брауэр В.А., Баджанова Л.Г. и др. // Машиностроение. Вып.5, Алма-Ата: КазПТИ, 1976. С,133-144.

27. Иванов В.В. Упрочнение деталей подвижного состава накаткой. М.: Трансжелдориздат, 1956, - 137 с.

28. A.c. 555004 МКИ В24/в 33/02. Устройство для обработки отверстий пластическим деформированием. / Игнатов С.Н., Бауман В.А., Кирсанов А.Г., Макеев В.Ф., Отений Я.Н. (СССР). № 2326553/08, заявлено 23.02.76. Опубл.бюл. № 15, 77, 2с.: ил.

29. A.c. 670427 МКИ В24/в 39/02. Устройство для обработки отверстий пластическим деформированием. / Игнатов С.Н., Бауман В.А., Кирсанов А.Е., Макеев В.Ф., Отений Я.Н. (СССР). № 2413272/25-08.

30. Заявлено 18.10.76. Опубл.Бюл.№ 24.79г. 12 с.: ил.

31. A.c. № 591308 МКИ В24/в. Инструмент для чистовой и упрочняющей обработки / Игнатов С.Н., Бауман В.А., Кирсанов А.Е., Макеев В.Ф., Отений Я.Н. (СССР) № 2336297/25-08. Заявлено 18.03.76. Опубл. Бюл.№ 5, 78г. - 2с.: ил.

32. Ишлинский А.Ю. Теория сопротивления перекатыванию и смежных явлений // Трение и износ в машиностроении. Первая все-союзн.конф. по трению и износу в машиностроении. M.-J1.: Изд-во АН СССР, т.П, 1940, - с.225-264.

33. Ишлинский А.Ю. О проскальзывании в области контакта при трении качения. // Известия АН СССР, отделение техн.наук, 1956, № 6, с.3-15.

34. Ильюшин A.A. Пластичность. М.: АН СССР, 1963, - 271 с.

35. Кельдюшев В.А. Исследование износа деталей, обработанных методом накатки // Техника железных дорог, № 5. С.13-15.

36. Коновалов Е.Г., Сидоренко В.Л. Чистовая и упрочняющая ротационная обработка поверхностей. Минск: Вышейшая школа, 1963, - 365 с.

37. Крагельский И.В. и др. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977, - 526 с.

38. Кудрявцев И.В., Бурмистрова Л.Н. Выбор продольной подачи при упрочнении валов обкатными роликами // Вестник машиностроения, 1965, № 3. С.62-63.

39. Кудрявцев И.В., Петушков Г.Е. Влияние кривизны поверхности на глубину пластической деформации при упрочнении деталей поверхностным наклепом // Вестник машиностроения, 1966, № 7. -С.41-43.

40. Кудрявцев И.В. Современное состояние и перспективы развития методов повышения прочности и долговечности деталей машин поверхностным пластическим деформированием // Вестник машиностроения, № I, 1970. С.9-13.

41. Кудрявцев И.В. Выбор основных параметров упрочнения валов обкатыванием роликами // Вестник машиностроения, № 4, 1983. С.8.

42. Кудрявцев И.В. Повышение прочности и долговечности крупных деталей машин поверхностным наклепом. / Минков Я.Л., Е.Э.Дворникова. М.:Машиностроение, 1970. - 143 с.

43. Кулик В.И. Исследование удельных давлений и сил трения на площадке контакта при обкатывании. Автореф. дис, к.т.н.- Минск, 1974, 24 с.

44. Куликов 0.0., Браславский В.М. Влияние режима обкатки роликами на остаточные напряжения в крупных валах. // ЦНИИТМАШ, № 18, М.: 1981.

45. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Изд-во "Наука", 1970, - 720 с.

46. Маталин A.A. Новые направления развития технологии чистовой обработки. Киев: Техника, 1972.

47. Маталин A.A., Илюшенко A.A. Влияние направления выглаживания и раскатывания на шероховатость и износостойкость обработанной поверхности // Вестник машиностроения, № 3, 1975. С.75.

48. Минов Д.К. Повышение тяговых свойств электровозов и тепловозов с электрической передачей. М.: Транспорт, 1965, - 267 с.

49. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965, - 340 с.

50. Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов. Тез.докл.всесоюзн. научн.-техн.конф. Брянск: изд-во Брянского института трансп. машиностроения, 1986, - 171 с.

51. Отений Я.Н. Исследование контактных явлений в зоне деформации с учетом проскальзывания // Технология и оборудование для обработки металлов. Алма-Ата, 1976. - С.86-90.

52. Папшев Д.Д. Роль ППД в научно-техническом прогрессе машиностроения // Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов. Тез.докл. Брянск, 1986. С.З.

53. Папшев Д.Д. Упрочнение деталей обкаткой шариками. М.: Машгиз, 1988, - 128 с.

54. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978, -- 152 с.

55. Папшев Д.Д., Смирнов В.Н. Аналитические методы расчета температуры при обработке местным пластическим деформированием // Известия вузов. Машиностроение, № 4, 1966. С.122-127.

56. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняюще-чистовой обработки металлов. М.: Машиностроение, 1971.

57. Проскуряков Ю.Г., Куликовский В.А. Тепловые явления при обработке деталей шариковым ротационным упрочнителем // Известия вузов, Машиностроение, 1963, № 7.

58. Проскуряков Ю.Г., Меньшаков В.М. Методика выбора режимов при накатке деталей шариками и роликами // Вестник машиностроения, 1962, № II. С.35-37.

59. Проскуряков Ю.Г., Меньшаков В.М. Некоторые зависимости микрогеометрии обработанной поверхности от условий обработки давлением // Тезисы докладов совещания по качеству поверхности в машиностроении АН СССР, 1960, 101 с.

60. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966, - 193 с.

61. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Изд-во "Наукова думка", 1984, - 267 с.

62. Рыжов Э.В. и др. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках. / Колесников Ю.В., Суслов А.Г.-- Киев: Наукова думка, 1982, 169 с.

63. Смирнов-Аляев P.A. Сопротивление материалов пластическому деформированию. Л.: Машиностроение, 1978, - 362 с.

64. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств контактирующих деталей машин. Автореферат на соискание ученой степени доктора техн.наук. М.: 1982, - 34 с.

65. Тарновский И.Я. и др. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургиздат, 1963, - 604 с.

66. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. Справочник. М.: Металлургия, 1973, - 224 с.

67. Третьяков A.B., Альбрехт Э.Г. Эмпирические формулы для определения механических свойств металлов при холодной прокатке, i960. С.21-24.

68. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. М.: Наука, 1975, - 832 с.

69. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1974, - 104 с.

70. Унксов Е.П. Инженерная теория пластичности. М.: Машгиз, 1957, - 328 с.

71. Хейфец С.Г. Аналитическое определение глубины наклепанного слоя при обработке роликами стальных деталей // ЦНИИТМАШ, кн.49, М.: Машгиз, 1952. C.7-I7.

72. Хлуд A.A. Обкатывание роликами наружных и раскатывание внутренних поверхностей // Размерно-чистовая обработка деталей давлением. М.: ЦНИИТАМ, кн.43, Машгиз, 1951.

73. Чепа П.А., Андрияшин С.Н. Остаточные напряжения в деталях упрочненных различными обкатниками // Вестник машиностроения.180-М.: 1973, № 8. С.35-37.

74. Шнейдер Ю.Г. Инструмент для чистовой обработки металлов давлением. Л.: Машиностроение. 1971, - 248 с.

75. Школьник Л.М., Шахов В.М. Технология и приспособления для упрочнения и отделки наклепом. М.: Машиностроение, 1964,- 164 с.

76. Шлезингер Р. Качество поверхности. Пер. с анг. М.: Машгиз, 1947, - 263 с.

77. Ящерицын П.Я. и др. Измерение упруго-пластической волны при обкатывании // Вестник машиностроения, № 2, 1984. С.12.78. /п?¿аУ 0/г r¿c¿¿¿?/z.

78. Tza/ts.; ¿>f ¿Л* Jbr. ¿7/<Z¿v7aí?sz, /Р76.79. ^0/77/77 7/.ates £cÁ¿a/>y¿s ¿¿¿Л fo&f/z ScA^/fet. Z/stá, ¿2/7peas. /Vaé/í. ¿//г* ¿с/. 7, А(//027, -/?27-2S

79. Л. f ?/¿¿¿0/Z ¿>z SaéV 6<??¿'/7¿?s. /Угрг/геаг//у y zr¿>¿. /¿77J81. //<?<?¿Ásp/íf 7/¿. 7~/z¿? ¿aSé* ¿t ¿As /770£¿/7¿? ¿//ггУе-гг 7?s¿ <?/г Serpee. Ptec. Ягл?. ¿V70S.