Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей пр

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
2.89 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.А. Плотников

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ АЛМАЗНОМ МИКРОВЫГЛАЖИВАНИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

УДК 621.787.011 П39

Рецензенты:

канд. техн. наук В.К. Флегентов (ЗАО «Новомет-Пермь»);

д-р техн. наук, профессор В.Ф. Макаров (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Плотников, А.А.

П39 Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей при алмазном микровыглаживании : учеб. пособие / А.А. Плотников. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2012. – 122 с.

ISBN 978-5-398-00633-9

Изложено технологическое обеспечение заданного качества поверхностного слоя миниатюрных деталей при повышении производительности алмазного микровыглаживания на основе динамической стабилизации процесса. Рассмотрены особенности технологии алмазного микровыглаживания миниатюрных деталей, установлены показатели качества поверхностного слоя, определены условия возникновения колебаний при алмазном микровыглаживании, вид колебаний алмазного микровыглаживателя иусловия динамической устойчивости процесса алмазного микровыглаживания. Приведен разработанный автором технологический критерий обеспечения качества поверхностного слоя миниатюрных деталей при наибольшей производительностиалмазногомикровыглаживания.

Предназначено для магистров, обучающихся по направлению 150100.68 «Материаловедениеитехнологииматериалов» (магистерскаяпрограмма«Наноструктурные материалы и покрытия в нефтедобывающем машиностроении»), а также специалистов, занимающихся разработкой технологических процессов механической обработки деталей с использованием методов поверхностного пластического деформирования, иинженерно-техническихработниковмашиностроительныхпредприятий.

УДК 621.787.011

Издано в рамках программы опережающей профессиональной подготовки, ориентированной на инвестиционные проекты Фонда инфраструктурных и образовательных программ «Роснано» в области производства погружных электронасосовдлянефтедобычииихузловснаноструктурнымипокрытиями.

ISBN 978-5-398-00633-9

© ПНИПУ, 2012

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ......................................................................

5

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................

8

1. АЛМАЗНОЕ МИКРОВЫГЛАЖИВАНИЕ.

 

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ...........................................................................

13

1.1. Технологические возможности процесса алмазного

 

микровыглаживания.....................................................................................

13

1.2. Назначениеиобластипримененияалмазногомикровыглаживания.....

19

1.3. Ограничения в применении алмазного микровыглаживания............

21

1.4. Преимущества применения алмазного микровыглаживания ............

25

1.5. Экономическаяэффективностьалмазногомикровыглаживания...........

28

Контрольные вопросы..................................................................................

32

2. УСЛОВИЯ СТАБИЛЬНОГО ПОЛУЧЕНИЯ КАЧЕСТВА

 

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МИНИАТЮРНЫХ ДЕТАЛЕЙ

 

ПРИ НАИБОЛЬШЕЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

 

АЛМАЗНОГО МИКРОВЫГЛАЖИВАНИЯ..............................................

34

2.1. Особенности технологии алмазного микровыглаживания

 

миниатюрных деталей..................................................................................

34

2.1.1. Характеристикаобрабатываемыхдеталей..........................................

35

2.1.2. Характеристикатехнологииалмазногомикровыглаживания.........

37

2.2. Теоретическое обоснование технологического

 

обеспечения качества и производительности

 

при алмазном микровыглаживании миниатюрных деталей.....................

41

2.2.1. Условиявозникновенияколебаний

 

приалмазноммикровыглаживании...............................................................

41

2.2.2. Условиединамическойустойчивости

 

алмазногомикровыглаживания......................................................................

48

2.2.3. Условиястабильногообеспечениякачества

 

поверхностногослояпринаибольшей производительности

 

алмазногомикровыглаживания......................................................................

62

Контрольные вопросы..................................................................................

69

 

3

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА

 

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ МИНИАТЮРНЫХ ДЕТАЛЕЙ

 

ПРИ НАИБОЛЬШЕЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

 

АЛМАЗНОГО МИКРОВЫГЛАЖИВАНИЯ..............................................

71

3.1. Качество поверхности в зависимости

 

от технологических параметров..................................................................

71

3.1.1. Шероховатостьмикровыглаженнойповерхности.............................

71

3.1.2. Микротвердостьмикровыглаженнойповерхности...........................

75

3.1.3. Обеспечениеточностииволнистостиповерхности..........................

79

3.2. Обеспечение качества и производительности

 

алмазного микровыглаживания при износе инструмента.........................

81

3.2.1. Износалмазныхмикровыглаживателейвпроцессе

 

микровыглаживания.........................................................................................

82

3.2.2. Износостойкостьалмазныхмикровыглаживателей..........................

95

3.2.3. Зависимостьпараметров износаотдлиныпутитрения..................

102

3.2.4. Зависимостькачестваповерхностиотсостояния

 

инструмента.....................................................................................................

109

Контрольные вопросы................................................................................

114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................

116

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ....................................

118

4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

р

– контактноедавлениеприалмазноммикровыглаживании, Па;

n

кратность нагружения;

Vм

– скорость микровыглаживания, м/мин;

Rz

– параметр шероховатости поверхности, мкм;

– параметр шероховатости поверхности, мкм;

HV20

– микротвердость поверхностного слоя, Па;

Rм

– радиус алмазного микровыглаживателя, мм;

Sм

– подача микровыглаживания, мм/об;

Fм

– сила микровыглаживания, Н;

Lм

– длина пути трения алмазного микровыглаживателя, км;

F

– площадь пятна контакта, мм2;

hи

– глубина площадки износа, мм;

Аи

– большая ось эллиптической площадки износа, мм;

Ви

– малая ось эллиптической площадки износа, мм;

Rи

– радиус изношенного алмазного микровыглаживателя, мм;

dF/dLм

– интенсивностьизносаалмазногомикровыглаживателя, мм2/км;

Им

– износостойкость алмазного микровыглаживателя, Дж/мм2;

Aт

– работа сил трения, Дж;

f

– коэффициент трения;

D

– диаметр обрабатываемой поверхности, мм;

L

– длина обрабатываемой поверхности, мм;

Kсгл

– коэффициент сглаживания;

Kупр

– коэффициент упрочнения;

Rzисх

– шероховатость исходной поверхности, мкм;

Rzмик

– шероховатость поверхности после алмазного микровыгла-

 

живания, мкм;

HV20исх

– микротвердость исходного поверхностного слоя, ГПа;

HV20мик

– микротвердость поверхностного слоя после алмазного

Sр

микровыглаживания, ГПа;

– подача резца, мм/об;

 

5

Nр

Hисх

Sисх

Hмик

Sмик

с

k h

fдеф

Rм.п

R0

Ак Вк

fм.вын

fм.шп fшп

tм.вын

Р

х

fм.соб

m

Sм.крит

fшп.крит Nшп

Nшп.крит

Кт

6

число оборотов шпинделя при точении (резании), об/мин;

высота микронеровностей исходной поверхности, мкм;

шаг микронеровностей исходной поверхности, мкм;

высота микронеровностей микровыглаженной поверхности, мкм;

шагмикронеровностеймикровыглаженнойповерхности, мкм;

жесткость пружины приспособления, Н/мм;

коэффициент, зависящий от параметраопорнойповерхности;

глубина внедрения инструмента в поверхность, мм;

деформационная составляющая трения;

приведенный радиус алмазного микровыглаживателя, мм;

угол разворота алмазного микровыглаживателя, град;

радиус детали, мм;

большая ось эллиптического пятна контакта, мм;

малая ось эллиптического пятна контакта, мм;

частота колебаний вынуждающего фактора при микровыглаживании, с–1;

частота вращения шпинделя при микровыглаживании, с–1;

частота вращения шпинделя, с–1;

период колебаний вынуждающего фактора при микровыглаживании, с;

сила реакции пружины, Н;

величина растяжения или сжатия пружины, мм;

начальная фаза колебаний, град;

частота собственных колебаний алмазного микровыглаживателя, с–1;

колеблющаяся масса, кг;

критическаяподачаприалмазноммикровыглаживании, мм/об;

критическая частота вращения шпинделя, с–1;

число оборотов шпинделя, об/мин;

критическое число оборотов шпинделя, об/мин;

комплексный технологический критерий качества и производительности;

Кт.крит

d

Тм

Ак.и

Вк.и

Rг

Sм.п Sр.п

критический комплексный технологический критерий;

градиент изменения микротвердости по глубине поверхностного слоя, ГПа/мкм;

изменение диаметра детали, мм;

время работы микровыглаживающего инструмента, ч;

большаяось эллипсапятна контакта впроцессеизноса, мм;

малая ось эллипса пятна контакта в процессе износа, мм;

радиус галтельного перехода обрабатываемой детали, мм;

поперечнаяподачаприалмазноммикровыглаживании, мм/об;

поперечная подача резца при точении, мм/об.

7

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения высокого качества обрабатываемых деталей на финишных операциях в качестве отделочно-упрочняющей обработки на практике часто применяют различные методы, с помощью которых обеспечивают как высокую чистоту поверхностей (абразивные методы обработки – шлифование, полирование, доводка и т.д.), так и их упрочнение (термические и химико-термические методы упрочнения). Эти операции энергоемки, связаны с дополнительными затратами, неблагоприятны в экологическом отношении. При этом, например, в процессе термического и химико-термического упрочнения происходит деформация, приводящая к изменению формы и размеров деталей. Это приводит к значительным погрешностям размеров сопрягаемых поверхностей деталей и т.д.

Применение отделочно-упрочняющей обработки, осуществляемой методами поверхностного пластического деформирования (ППД), является наиболее эффективным и перспективным. Одним из способов обработки методами ППД является процесс выглаживания. Его применение обеспечивает на финишных операциях механической обработки деталей высокийклассшероховатостииупрочнениеповерхностногослоя.

Процесс выглаживания является одним из наиболее эффективных способов отделочно-упрочняющей обработки ППД. Наиболее широкое распространение получило алмазное выглаживание. В качестве выглаживающего инструмента при реализации процесса применяются природные и синтетические алмазы, а также твердые сплавы, быстрорежущая сталь и минералокерамика. Удачное сочетание фи- зико-механических и химических свойств алмаза (высокая твердость, низкий коэффициент трения по металлу, высокая теплопроводность, малая способность к упругому деформированию, неокисляемость, отсутствие эффекта адгезии при обработке абсолютного большинства металлов и сплавов) дает возможность получать поверхности обрабатываемых деталей высокого качества.

8

Однако применение процесса алмазного выглаживания ограниченно и не может быть распространено на обширную группу миниатюрных деталей в отечественном авиационно-космическом, химическом приборостроении, а также в некоторых отраслях общего машиностроения. Такие детали (оси, штифты, втулки, стойки) имеют малые диаметр и длину, могут иметь тонкие стенки, галтели малых радиусов и небольшую жесткость. Для реализации процесса алмазного выглаживания используются инструменты, имеющие такую геометрию и размеры рабочих частей, которые не позволяют осуществлять их контакт с поверхностью миниатюрной детали. Например, рабочая часть стандартного наконечника для алмазного выглаживания имеет самый малый радиус 0,5 мм, в то время как миниатюрные детали имеют галтельные переходы не более 0,1 мм. Кроме того, технологические параметры процесса алмазного выглаживания (например, сила выглаживания) не соответствуют жесткости миниатюрных деталей. При алмазном выглаживании деталь подвергается со стороны инструмента силовому воздействию, которое недопустимо для миниатюрных деталей. В связи с этим на финишных операциях отде- лочно-упрочняющей обработки миниатюрных деталей по методу поверхностного пластического деформирования применяют алмазное микровыглаживание, не имеющее указанных выше ограничений.

Алмазное микровыглаживание наиболее эффективно при отде- лочно-упрочняющей обработке миниатюрных деталей. Сущность алмазного микровыглаживания заключается в упругопластическом деформировании поверхностного слоя миниатюрной детали инструментом (алмазным микровыглаживателем) при взаимном перемещении инструмента и детали относительно друг друга. Данный способ основан на использовании возникновения трения скольжения в результате перемещения инструмента по поверхности обрабатываемой детали. В качестве сверхтвердого материала в микровыглаживающем инструменте применен синтетический алмаз. Исследования показали, что в процессе алмазного микровыглаживания происходит значительное сглаживание шероховатости и упрочнение поверхностного слоя. Процесс легко реализуется на финишных операциях отделочно-

9

упрочняющей обработки миниатюрных деталей, не требует высокой квалификации исполнителей и дорогостоящего оборудования. Наконечники для алмазного микровыглаживания имеют малые габариты

инебольшие радиусы рабочих частей (0,7–0,1 мм). Благодаря этому они могут обрабатывать поверхности малых размеров, легко вписываются в малые галтельные переходы. Технологические режимы алмазного микровыглаживания таковы, что миниатюрная и маложесткая деталь в процессе обработки испытывает силовое воздействие, не превышающее ее жесткость. Применяемые силы микровыглаживания достаточно малы и позволяют производить микровыглаживание, не повреждая миниатюрную деталь. Предварительные исследования показали, что алмазные микровыглаживатели в процессе микровыглаживания обеспечивают достаточно высокое качество обрабатываемых поверхностей и повышение производительности обработки,

ипоэтому алмазное микровыглаживание можно с успехом применять на финишных операциях отделочно-упрочняющей обработки миниатюрных деталей.

Технология обработки деталей приобретает высокую эффективность при совмещении микровыглаживания с резанием. Миниатюрные детали приборов, подвергнутые алмазному микровыглаживанию, приобретают новое качество, не только сглаживается шероховатость на их поверхностях, но и упрочняется поверхностный слой, что положительно влияет на эксплуатационные характеристики изделий. Дальнейшие работы по совершенствованию процесса алмаз-

ного микровыглаживания в направлении обеспечения качества и производительности обработки миниатюрных деталей позволяют расширить область его эффективного применения.

Несмотря на внешнюю простоту процесса алмазного микровыглаживания, в некоторых случаях его реализация в производственных условиях ранее вызывала трудности, препятствовавшие успешному и эффективному применению данного способа.

Прежде всего, необходимо отметить случаи появления вибраций, особенно при микровыглаживании поверхностей деталей, предварительно проточенных.

10