Пособие надежность. Ч1

При измерении радиального биения профиля конкретного сечения вала с установкой на двух призмах или двух двухопорных люнетах составляющая погрешности базирования ∆εбф, обусловленная смещением оси вследствие отклонений формы базовых поверхностей определяется по формуле

где yм – продольная координата контролируемого профиля поперечного сечения вала от среднего сечения базовой поверхности левой опорной шейки;

L – расстояние между средними поперечными сечениями базовых поверхностей левой и правой опорных шеек вала; Аkбл , Аkбп , γkбл , γkбп – соответственно, ам-

плитуды и начальные фазы k-ых гармонических составляющих реальных отклонений формы левой и правой базовых поверхностей.

Собственное радиальное биение контролируемого профиля как комплексный параметр фактических отклонений по некруглости реального профиля и эксцентричного его расположения относительно общей оси вращения, представляется выражением

где λ′k – составляющая углов сдвига фаз изменения k-ых гармоник, полученная в результате гармонического анализа практических реализаций радиального биения профилей опорных сечений базовых поверхностей, которая определяется формулой

Для сравнительной оценки возможных погрешностей измерения радиального биения контролируемых профилей в табл. 3.1 приведены отношения зна-

160

чений Kk и Sk для гармоник k=2…10 в направлениях вертикальной и горизонтальной координатной осей для наиболее применяемых схем контроля при использовании призм с углами ψ=90°, ψ=120°и ψ=60°.

Таблица 3.1 Значения функций передаточных коэффициентов Kk и коэффициентов

воспроизведения Sk для наиболее применяемых схем контроля радиального биения деталей машин (k=2…10)

Следовательно, погрешности измерения радиального биения контролируемого профиля предопределяются спектрами амплитуд и фаз реальных отклонений формы базовых поверхностей детали, а также угловым расположением граней призм или опорных элементов люнетов и точки контакта измерительного датчика. Исследования показали, что функция передаточных коэффициентов Kk весьма чувствительна к изменениям параметров расположения опорных элементов люнетов или граней призм и точки контакта измерительного датчика.

Например, на рис. 3.12 представлены семейства кривых Kk=Zk(k, ψi, α=135°) и Kk=Zk(k, ψ=90°, αi) изменения функции передаточных коэффициентов для гармоник k=2…10 вблизи фиксированных параметров ψ=90° и α=135°, которые соответствуют схеме контроля радиального биения с использованием призм с

161

углом 90° при расположении измерительного датчика в вертикальной плоскости. Поэтому при контроле радиального биения поверхностей деталей непосредственно на обрабатывающем станке с установкой на жестких двухопорных люнетах (рис. 3.10) необходимо учитывать угол контакта базовых поверхностей опорных шеек и каждого опорного вкладыша люнета.

Рис. 3.12. Семейства кривых изменения функции передаточных коэффициентов для гармоник k=2…10 вблизи фиксированных параметров ψ=90° и α=135°

Для оценки возможных погрешностей измерения при различных схемах производственного контроля радиального биения поверхностей деталей машин разработаны специальная методика и программное обеспечение определения спектров амплитуд и фаз гармонических составляющих собственного радиального биения контролируемого профиля. Так как гармонические составляющие различных частот не коррелированны между собой, дисперсия радиального биения контролируемого профиля, вызываемого ими, равна

k=p A2

DAk = ∑ 2k . (3.9)

k=1

Программным обеспечением предусматривается определение «удельного веса» каждой гармонической составляющей в результирующих отклонениях исследуемого профиля.

162

В результате большого статистического материала по спектральному анализу отклонений формы и радиального биения основных поверхностей деталей классов валов и втулок установлено, что макрогеометрические отклонения поверхностей технологических (установочных) и сборочных баз после шлифования можно с достаточной для практических целей точностью аппроксимировать суммой гармонических составляющих 2-, 3-, 4-ого порядков, относительное распределение амплитуд А2:А3:А4 которых соответствует диапазону от 1:0,5:0,4 до 1:0,4:0,2. На их долю приходится до 70…80% дисперсии результирующих отклонений формы. Отклонения поперечной формы поверхностей вращения после чистовых токарных операций, в том числе и после тонкого обтачивания и растачивания резцами из сверхтвердых материалов (СТМ) – «Эль- бора-Р» и «Гексанита-Р», также можно аппроксимировать суммой этих гармоник, доминирующей среди которых является эллипсность.

3. Обоснование рациональных схем базирования

Исследования показали, что в зависимости от соотношения значений амплитуд и фаз гармонических составляющих в спектрах отклонений формы поверхностей базовых шеек и углов расположения граней призм или опорных элементов люнетов и точки контакта измерительного датчика погрешности измерения радиального биения могут колебаться в широком диапазоне относительно реальных отклонений контролируемого профиля. При существующем соотношении значений амплитуд гармонических составляющих отклонений формы базовых поверхностей А2:А3:А4 в пределах от 1:0,5:0,4 до 1:0,4:0,2 наиболее рациональной схемой производственного контроля следует признать схему с параметрами «ψ=90°, α=135°», т. е. при использовании стандартных призм с углом ψ=90° и расположении измерительного датчика в вертикальной плоскости. При этой схеме контроля радиального биения деталей машин погрешности измерения распределены в диапазоне 20...40 % суммарной дисперсии результирующих отклонений контролируемого профиля. Для выявления доминирующих гармонических составляющих в результирующих отклонениях

163

контролируемого профиля следует рекомендовать схемы, соответственно: для эллипсности – «ψ=90°, α=135°», трехвершинной огранки – «ψ=120°, α=30°» или «ψ=60°, α=150°», четырехвершинной огранки – «ψ=90°, α=45°», т.е. при которых функция передаточных коэффициентов Kk для этих гармоник имеет нулевое значение.

164

ГЛАВА IV. ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН УПРОЧНЕНИЕМ МЕТОДАМИ ПОВЕРХНОСТНОГО

ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ 1. Общие сведения о поверхностном пластическом деформировании

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) является эффектив-

ным средством повышения усталостной прочности, улучшения качества поверхности и износостойкости деталей различной формы и размеров. Технологическими достоинствами упрочнения ППД являются: малая трудоемкость, отпадает необходимость применения термических методов упрочнения со свойственными им недостатками, применение которых требует дополнительной транспортировки деталей и др.

Этот метод применим для деталей из стали, чугуна, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, латуни, бронзы, твердых сплавов и др. Возможно упрочнение стальных деталей, закаленных до высокой твердости и азотированных. Используя ППД можно повысить прочность недорогих металлических материалов и избежать применение высоколегированных сталей.

Весьма существенное повышение усталостной прочности достигается за счет ППД у деталей с концентрацией напряжений. Упрочнению подвергают наружные и внутренние поверхности вращения, плоскости и фасонные поверхности. В результате ППД существенно повышается нагрузочная способность деталей и во много раз их долговечность.

Большой ассортимент деталей, различие физико-механических свойств материалов, их массы, габаритов, жесткости, необходимость получения в зависимости от требований разнообразного эффекта упрочнения вынуждают искать оптимальные варианты проектирования приспособлений и оборудования для обработки деталей ППД с тем, чтобы получить при высоких техникоэкономических показателях детали с заданными свойствами. Различают механические, пневматические, гидравлические и электромагнитные устройства для ППД.

165

Большинство деталей машин подвержено изгибу и кручению, при которых напряжения растут в направлении к поверхности. На поверхности расположены основные источники концентрации напряжений и разрушение деталей, как правило, начинается с поверхности. Поэтому особенно важно повышать прочность именно поверхностных и приповерхностных слоев. Эффект поверхностного упрочнения складывается из собственно упрочнения поверхностного слоя, создания в нем остаточных сжимающих напряжений и формирования топографии и микропрофилей шероховатости поверхности с лучшими эксплуатационными показателями.

Можно выделить основные направления использования ППД для улучшения эксплуатационных показателей машин:

-повышение усталостной прочности деталей, особенно с конструктивными концентраторами напряжений и подверженных воздействию различных внешних факторов;

-повышение износостойкости деталей, работающих в подвижном контакте;

-повышение контактной прочности на смятие, особенно деталей из низколегированных сталей;

-улучшение качества поверхности деталей и чистовая их обработка с одновременным снижением интенсивности изнашивания и повышением усталостной прочности.

На рис. 4.1 приведены основные виды поверхностного упрочнения. Упрочнение роликом и ш а р и к о м ( рис. 4.1, а, б) осуществля-

ется свободно вращающимся роликом или шариком, приводимым в соприкосновение с обрабатываемой поверхностью детали под давлением. В результате пластической деформации происходит наклеп поверхностного слоя, возникают остаточные напряжения сжатия, изменяется структура и увеличивается твердость. Происходит также смятие микровыступов на поверхности от предшествующей механической обработки и заполнение микровпадин, что повышает несущую площадь поверхности и уменьшает диаметр детали на величину смятия микровыступов. Обкатка цилиндрических поверхностей обыч-

166

но выполняется на токарных и револьверных станках, а плоских – на строгальных. Применяют и специальные станки. На качество упрочнения оказывает влияние материал детали, форма, размер и число роликов, усилие прижатия роликов к поверхности детали, подача, скорость и число проходов.

ж

е

Рис. 4.1. Принципиальные схемы основных видов упрочнения поверхностным пластическим деформированием

Наклеп механической ч е к а н к о й ( рис. 4.1, в, г) осуществляют с помощью механического, пневматического или электромеханического при-

167

способлений путем нанесения ударов по упрочивающей поверхности ударниками с бойками различной формы. В результате изменяется качество поверхности, создаются остаточные напряжения сжатия, повышаются твердость на 30...50 % и несущая способность деталей.

Центробежношариковый н а к л е п ( рис. 4.1, д) основан на использовании центробежной силы стальных шариков диаметром 7…12 мм, свободно перемещающихся в гнездах специального приспособления, вращающегося со скоростью 20…40 м/с над обрабатываемой поверхностью. Встречая на своем пути поверхность детали, движущуюся навстречу шарикам со скоростью 30…90 м/мин, каждый шарик с силой ударяет о поверхность, производя наклеп и сглаживание микронеровностей поверхности. В качестве оборудования применяют токарные, шлифовальные и другие станки. На качество упрочнения влияют материал детали, окружная скорость приспособления (шариков) и детали, величина выхода шариков из сепаратора приспособления, диаметра шариков и их количество, подача и число проходов.

Раскатывание о т в е р с т и й р о л и к а м и (рис. 4.1, е) заключается в пластическом деформировании поверхности отверстия при помощи роликового раскатника, перемещаемого вдоль оси с некоторым натягом по диаметру, при одновременном собственном вращении или вращении детали. В результате улучшается шероховатость поверхности, изменяется микроструктура поверхностного слоя, повышаются механические и эксплуатационные свойства деталей. Раскатывание отверстий обычно проводят на токарных, револьверных, расточных или сверлильных станках. Рабочие движения сообщаются детали или раскатнику.

Дорнование (рис. 4.1, ж) осуществляется путем проталкивания калибрующего инструмента (дорна, шарика или прошивки) с некоторым натягом через отверстие, что обеспечивает большое пластическое деформирование поверхностного слоя детали. При этом сглаживается шероховатость и улучшаются физико-механические свойства материала, обеспечивается устойчивое получение точности и шероховатости поверхности. В ме-

168

талле создается сложное напряженное состояние под влиянием нормального давления и сил трения: два напряжения сжатия и одно растяжения. При дорновании инструмент продавливается или протягивается через отверстие.

Дробеструйный наклеп (рис. 4.1, з, и) осуществляют на пневматических или механических дробеметах потоком дроби для упрочнения деталей сложной формы любой твердости.

Пневматический дробемет работает на сжатом воздухе. Дробь загружают в бункер, а обрабатываемую деталь (детали) помещают в рабочую камеру. Из бункера дробь поступает в форсунку и сжатым воздухом (под давлением 0,5…0,6 МПа) подается в рабочую камеру. Производительность дробемета, т. е. количество выбрасываемой на обрабатываемую поверхность дроби в единицу времени, регулируют изменяя число форсунок и их конструкцию, а также давление и расход воздуха.

Механический (роторный) дробемет экономно расходует энергию, процесс обработки в нем стабилен ввиду постоянства скорости и размеров потока дроби. Ротор закрепляется на валу и приводится от электродвигателя. При вращении ротора, загружаемая во внутрь дробь выбрасывается за счет центробежной силы на обрабатываемую деталь. Для вращения и подачи детали во время обработки установка снабжена специальным приспособлением. После наклепа дробь скатывается к приемной части элеватора и вновь поступает в загрузочный бункер. Осколки и пыль удаляются вытяжным вентилятором или сепаратором.

Алмазное выглаживание (рис. 4.1, к). При алмазном выглаживании деформирующим инструментом является кристалл алмаза, находящийся в специальной оправке. Выглаживатель монтируется в специальном приспособлении, установленном в резцедержателе токарного станка. Давление при выглаживании создается тарированной пружиной или давлением сжатой жидкости. При вращении детали продольную подачу имеет инструмент.

В табл. 4.1 указаны основные области использования различных методов ППД. Выбор режимов деформирования определяется конструктивны-

169