Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

изнашивания. В качестве примера можно привести упрочнение шеек рессорных подве­ сок локомотива; шеек крупногабаритных ва­ лов; шкворня поворотного кулака, шаровых опор, чашек дифференциала заднего моста автомобиля; галтелей валов коробки передач; цилиндров двигателей; цилиндров насосов, гидравлических и пневматических механиз­ мов; торцовые поверхности: поршневьис ко­ лец, дисков тормозных устройств.

Упрочнение плоских поверхностей ЭМО на фрезерных станках имеет существенное значение для таких деталей, как направляю­ щие станин, ножи режущих аппаратов сель­ скохозяйственных машин, лапы культивато­ ров, штанги различных типов инструментов, ножи измельчителей кормов. Методы элек­ тромеханического упрочнения находят также применение для упрочнения: винтовых по­ верхностей - ходовые винты станков, глобоидные червяки рулевого управления автомо­ биля, цилиндрические и конические резьбо­ вые соединения (с метрической и трубной резьбой); зубьев зубчатых колес - цилиндри­ ческих, конических, червячных; инструмента - сверл, фрез, разверток, зенкеров, пуансонов, матриц, долбяков, червячных фрез, зубострогальных резцов - по передним и задним ре­ жущим поверхностям; поверхностей деталей, образованных металлизацией, напылением, нанесением покрытий, наплавкой.

Важную роль ЭМО играет применитель­ но к восстановлению нормально изношенных поверхностей деталей, таких как посадочные поверхности, неподвижные и подвижные со­ единения и сопряжения с добавочным метал­ лом и без него, упругих свойств пружин.

В условиях серийного производства и ремонта деталей основной задачей совершен­ ствования методов электромеханического упрочнения должно явиться повышение про­ изводительности процесса и обеспечение вы­ сокого качества обрабатываемых деталей за счет применения многоинструментальных приспособлений, автоматизации технологиче­ ского процесса ЭМО, развитие САПР ЭМО в целях обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин путем научно обоснованного выбора и нормирования режимов обработки.

2.8.6. МАГНИТНО-АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА

Магнитно-абразивная обработка (МАО) - абразивная обработка, осуществляемая при движении заготовки и абразивных зерен от­ носительно друг друга в магнитном поле.

Сущность МАО состоит в преимущест­ венно абразивном удалении припуска с соз­ данием непосредственно в зоне резания маг­ нитного поля от внешнего источника. В каче­ стве абразивного инструмента (АИ) в разных схемах процесса применяют: магнитно-абра­

зивные порошки (в дальнейшем - порошки), шлифовальные круги, бруски, шкурки, абра­ зивные суспензии, магнитно-реологические жидкости с абразивным наполнителем. Пере­ мещения металлической заготовки в магнит­ ном поле сопровождаются появлением в ней индукционных электрических токов перемен­ ного направления, электрической заряженностью обрабатываемой поверхности, много­ кратным перемагничиванием. Абразивное резание с наложением этих явлений имеет ряд особенностей. По причине действия маг­ нето- и электропластического эффектов из­ меняются прочностные характеристики обра­ батываемого материала, главным образом, в приповерхностном слое. Снижаются силы, необходимые для диспергирования и пласти­ ческого выглаживания обрабатываемой по­ верхности, облегчаются условия для форми­ рования поверхностей с малыми параметрами шероховатости поверхности и с увеличенной опорной площадью. Электрическая заряженность обрабатываемой поверхности интенси­ фицирует электрохимические явления и по­ верхностную диффузию полярных молекул поверхностно-активных жидкостей. Этим объясняют необычно высокую эффективность применения химически- и поверхностноактивных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в операциях МАО, по сравнению с традиционными видами абразивной обработ­ ки.

Магнитное поле в процессе МАО ис­ пользуют для создания сил резания, сообще­ ния рабочих движений АИ или заготовке, формирования АИ из магнито-абразивного порошка и управления его жесткостью, для сообщения движений зернам магнитоабразивного порошка, интенсификации дру­ гих абразивных методов обработки. Схема хонингования отверстия брусками, прижаты­ ми к обрабатываемой поверхносхи силами отталкивающихся друг от друга постоянных магнитов, приведена на рис. 2.8.10, а\ схема обработки длинномерного отверстия бруска­ ми, прижатыми к отверстию упругим балло­ ном со сжатым воздухом и размещенными в корпусе, вращение и продольное перемеще­ ние которому сообщают с помощью наруж­ ного статора с трехфазным током и закреп­ ленного на корпусе АИ электромагнита по­ стоянного тока - на рис. 2.8.10, б\ схема по­ лирования в контейнере с абразивной суспен­ зией швейных игл, движущихся по окружно­ сти контейнера под действием вращающегося магнитного поля наружного статора трехфаз­ ного тока - на рис. 2.8.10, в; схема полирова­ ния валика магнитно-абразивным порошком, удерживаемым в рабочих зазорах 5 электро­ магнитом постоянного тока - на рис. 2.8.10, г; схема интенсификации виброабразивной обработки пугем изменения скорости относи-

электромагнитов - на рис. 2.8.10, д; схема подмагничивания заготовки при плоском шлифовании для повышения периода стойко­ сти шлифовального круга - на рис. 2.8.10, е.

г) i 2 Ъ

е)

Рис. 2.8.10. Способы магнитно-абразивной обработки: 1 - заготовка; 2 - абразивный инструмент;

3 - источник магнитного поля

В способах МАО, использующих в каче­ стве АИ магнитно-абразивный порошок, маг­ нитное поле создают с помощью специальных магнитных индукторов (МИ). Активная по­ верхность (АП) - поверхность с размещенны­ ми на ней полюсами МИ, обращенная к обрабатывамой поверхности. Рабочий зазор 6 - пространство между АП и обрабатываемой поверхностью заготовки, заполняемое порош­ ком. Рабочая зона - пространство между по­ люсами МИ, заполняемое порошком, в кото­ рое помещена заготовка. На рис. 2.8.11 при­ ведены схемы МАО: а - плоских поверхно­ стей с размещением порошка в рабочем зазо­ ре б на торцовой активной поверхности МИ; б - наружных цилиндрических поверхностей вращения с порошком в рабочей зоне элек­ тромагнита; в - фасонных внутренних и на­ ружных поверхностей колец прядильных ма­ шин, с порошком в рабочих зазорах б; г - проволоки с целью очистки путем протягива­ ния через вращающуюся воронку, заполнен­ ную порошком и помещенную в соленоиде; д - листового материала, с помощью порошка, нанесенного на АП вращающихся полюсов электромагнита.

На активной поверхности МИ, в рабо­ чем зазоре и в рабочей зоне порошок удержи­ вается силами магнитного поля и силами тре­ ния порошка с АП индуктора. Силы, необхо­ димые для абразивного резания и действую­ щие в контакте порошка с заготовкой, созда­ ются благодаря сжатию порошковой среды в рабочем зазоре (рабочей зоне) магнитными силами и возникновению по этой причине распорных давлений в этой среде, направлен­ ных на обрабатываемую поверхность и АП индуктора. При наличии составляющих маг­ нитных сил, направленных к обрабатываемой поверхности, давление порошка на заготовку возрастает. Силы трения в контакте порошка с заготовкой создают дополнительные давле­ ния в порошковой среде и на ее границах. Изменяя форму рабочего зазора (рабочей зо­ ны), можно управлять направлением действия магнитных сил и интенсивностью удаления припуска.

Магнитно-абразивную обработку с по^ рошком в качестве АИ применяют на отде­ лочных технологических операциях для поли­ рования поверхностей, их очистки от оксид­ ных и химических пленок, удаления мелких заусенцев, скругления кромок, отделки и упрочнения режущих и штамповых инстру­ ментов.

При исходной шлифованной поверхно­ сти с параметром шероховатости Ra = 3,2 ...

6,3 мкм на операции МАО можно производи­ тельно получить поверхность с параметром Ra = 0,02 ...0,08 мкм. Обработанные этим ме-

ш

ми

ми

Рис. 2.8.11. Схемы магнитно-абразивной обработки порошком

тодом поверхности отличаются повышенными износостойкостью, циклической долговечно­ стью, коррозионной стойкостью, теплостой­ костью. Улучшение названных эксплуатаци­ онных свойств стальных заготовок происхо­ дит в результате удаления исходного дефект­ ного слоя фазовых и структурных превраще­ ний, а также изменения химического состава в тонком приповерхностном слое под воздей­ ствием многократного перемагничивания материала заготовки при одновременных мас­ совых микропластических деформациях обра­ батываемой поверхности в процессе МАО.

Процесс отличается низкими температурами резания и, соответственно, отсутствием их неблагоприятного воздействия на свойства обработанных поверхностей.

Магнитно-абразивной обработке могут подвергаться ферромагнитные и немагнитные материалы с широким диапазоном твердости и вязкости. При обработке ферромагнитных заготовок легче создать в рабочей зоне (рабочем зазоре) магнитное поле высокой напряженности и обеспечить интенсивную обработку.

Для каждой схемы процесса МАО суще­ ствует свой перечень управляемых технологи­ ческих параметров. Наиболее часто встреча­ ются технологические параметры: v - ско­ рость главного движения; Vs - скорость пода­ чи; Vji - скорость дополнительного движения; По, Ао - частота и амплитуда осциллирующего движения; В - магнитная индукция в рабочем зазоре; 6 - высота рабочего зазора; /Яз - ши­ рина рабочей зоны; т - длительность обработ­ ки (основное время); 3 - зернистость порош­ ка; Кп - размер разовой порции порошка. Численные значения технологических пара­ метров в условиях крупносерийного произ­ водства оптимизируют экспериментальным путем применительно к конкретным условиям (обрабатываемый материал; форма, размеры, исходные и требуемые параметры шерохова­ тости обрабатываемой поверхности). В усло­ виях мелкосерийного, гибкого производства режим обработки оптимизируют для эталон­ ного обрабатываемого материала, распростра­ няя затем этот же режим на другие материа­ лы. Особенности обработки, связанные с от­ личием обрабатываемых материалов от эта­ лонного по прочностным и магнитным свой­ ствам, учитывают, изменяя длительность об­ работки т:

(2.8.1)

ГКа - R a . VP

(2.8.2)

Здесь: h - требуемое значение удаляе­ мого припуска; hi - значение припуска, уда­ ляемого за первую минуту обработки; т - показатель степени, характеризующий затуха­ ние съема припуска во времени; Ra„ - исход­ ное значение параметра Ra; Яа^. - требуемое значение параметра Ra; с - изменение пара­ метра Ra за первую минуту; .р - показатель степени. Формулой (2.8.1) пользуются, когда задан припуск Л, а формулой (2.8.2) - когда задан требуемый параметр шероховатости Ra^.

Параметры Л], т, с, р при постоянных условиях обработки (режим, порошок, СОЖ)

ЯВЛЯЮТСЯ функциями физико-механических свойств обрабатываемого материала.

Порция порошка, участвующая в обра­ ботке, подлежит периодической замене в связи с постепенным снижением ее режущей способности. Период стойкости порции опре­ деляют для конкретной технологической опе­ рации. С помощью найденных значений hi и т вычисляют период стойкости

^^1^м

где Тм - машинное время на данной техноло­ гической операции; Лдип - минимальный при­ пуск, обеспечивающий полученный параметр шероховатости Ra.

Магнитно-абразивные порошки могут быть изготовлены с зернами из монолитного материала, обладающего одновременно абра­ зивными и ферромагнитными свойствами, либо состоять из соединенных между собой абразивного и ферромагнитного компонентов. Способ соединения компонентов в зерне пре­ допределяет структуру зерна, распределение абразивных включений по его объему и, в итоге, эксплуатационные свойства порошка. Характеристиками порошков служат: магнит­ ная проницаемость в рабочем диапазоне маг­ нитной индукции (^=0,8-^1,2 Тл), твер­ дость монолитных зерен или абразивного компонента составных зерен, прочность зер­ на, зернистость порошка, размер абразивных включений в составном зерне, процентное соотношение абразивного и ферромагнитного компонентов в зерне, форма зерен, структура зерен, радиусы округления и углы заострения режущих вершин зерна.

Применение химически- и поверхност­ но-активных СОЖ при обработке с порошка­ ми интенсифицирует удаление припуска и способствует получению поверхностей с более высоким качеством. Вязкие СОЖ из-за фильтрации в порошке масляных составляю­ щих и крупных молекул поверхностноактивных веществ препятствует перемешива­ нию порошка в рабочем зазоре, "самозатачи­ ваемости" порошка, что способствует быстро­ му затуханию процесса обработки во времени. Охлаждающие свойства СОЖ в большинстве случаев не имеют существенного значения изза низких температур на поверхности контак­ та порошка с заготовкой.

Магнитно-абразивную обработку осуще­ ствляют на специализированных и металло­ режущих станках, снабженных специальной технологической оснасткой или модернизиро­ ванных для МАО. Конструкция станка преду­ сматривает приводы рабочих и вспомогатель­ ных движений согласно заложенной принци­ пиальной схеме МАО, магнитный индуктор, бункер для порошка с дозатором, устройством

для очистки рабочей зоны от отработанного порошка. При обработке заготовок из ферро­ магнитных материалов после операции МАО их требуется демагнетизировать. Заготовки из любых материалов после МАО подвергают промывке для очистки от зерен порошка и пленки шлама.

Магнитные индукторы станков (или сменных устройств) для МАО в своей конст­ рукции могут предусматривать: источники магнитного поля в виде намагничивающих катушек или постоянных магнитов; магнитопроводы, обеспечивающие прохождение и замыкание магнитного потока по кратчайше­ му пути с наименьшим магнитным сопротив­ лением; механизмы для изменения размеров рабочего зазора (рабочей зоны); механизмы регулирования напряженности магнитного поля (для индукторов на постоянных магни­ тах); механизмы или электромагнитные сред­ ства для сообщения полюсам МИ рабочих движений.

Электромагнитные индукторы (ЭМИ) позволяют создавать магнитные поля высокой напряженности в рабочей зоне, удобны в ре­ гулировании напряженности поля, но обла­ дают увеличенными размерами, требуют пи­ тания электрическим током. Известны ЭМИ, питаемые постоянным униполярным пуль­ сирующим и трехфазным токами.

Индукторы на постоянных магнитах компактны, не связаны с электрической се­ тью и потому удобны в качестве сменных устройств на металлорежущих станках. Регу­ лировка напряженности создаваемого маг­ нитного поля возможна, но затруднена и тре­ бует применения дополнительных, достаточно мощных механизмов.

сп и с о к ЛИТЕРАТУРЫ

1.Аскинази Б.М. Упрочнение и вос­ становление деталей электромеханической обработкой. М.: Машиностроение, 1989. 200 с.

2.Белый А.В., Карпеко Г.Д., Мышкин Н.К. Структура и методы формирования из­ носостойких поверхностных слоев. М.: Ма­ шиностроение, 1991. 208 с.

3.Бойцов А.Г. и др. Упрочнение дета­ лей комбинированными способами / А. Г. Бойцов, В.Н. Машков, В.А. Смоленцев и др. М.: Машиностроение, 1991. 144 с.

4.Подураев В.Н. Автоматически регу­ лируемые и комбинированные процессы ре­ зания. М.: Машиностроение, 1977. 304 с.

5.Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наук, думка. 1984. 272 с.

6.Суслов А.Г., Гуляев Ю.В., Дальский А.М. и др. Качество машин / Справочник в 2-х т. Т.2 / Под ред. А.Г. Суслова. М.: Маши­ ностроение. 1995. 430 с.

Продолжительность изотермической вы­ держки, обеспечивающей завершение фазо­ вых превращений и гомогенизацию аустенита, принимают равной 15—25% от продолжи­ тельности сквозного нагрева.

Для предотвращения окисления и обез­ углероживания поверхности деталей нагрев под термическую обработку проводят в за­ щитных, контролируемых по углеродному потенциалу средах, в вакууме (10^... 10'* кПа), в расплавленных солях CaCl2, NaCl, BaCl2 и др.

Режим охлаждения при закалке должен обеспечить необходимую глубину прокаливаемости, но не вызвать при этом значитель­ ных закалочных напряжений, приводящих к короблению изделия и образованию закалоч­ ных трещин. Он устанавливается по диаграм­ мам изотермического и термокинетического распада аустенита.

В зависимости от степени переохлажде­ ния аустенита различают перлитное превра­ щение, бейнитное (промежуточное) превра­ щение и мартенситное превращение. Послед­ нее происходит в диапазоне температур нача­ ла (М„) и конца (Л/к) превращения мартенси­ та. Положение мартенситных точек М^ и Л/к определяется составом аустенита и не зависит от скорости охлаждения.

При закалке сталей возникают тепловые и структурные фазовые напряжения. Наибо­ лее опасны фазовые напряжения, возникаю­ щие в результате мартенситного превращения аустенита, так как образуется хрупкая фазамартенсит. Выше точки Л/н возникают только термические напряжения, причем сталь нахо­ дится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен.

В качестве закалочных сред для углеро­ дистых сталей наиболее широко используют воду, 10%-ный раствор NaOH или NaCl, а для легированных — минеральные масла (табл. 2.9.2)

2.9.2.Скорость охлаждения стали

вразличных средах

Находят применение водные растворы полимеров, которые по охлаждающей способ­ ности занимают промежуточное положение между водой и маслом.

Сразу после закалки стали применяется отпуск, в результате которого сталь получает требуемые свойства. Кроме того, отпуск пол­ ностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Низкий отпуск (150...250 °С) применяют для режущего, измерительного инструмента, деталей подшипников качения, а также дета­ лей после поверхностной закалки, цемента­ ции, нитроцементации и цианирования.

Средний отпуск (350...500°С) применяют главным образом для пружин, рессор и штам­ пов. Структура стали (0,45...0,8% С) после среднего отпуска — троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью 40...50 HRC. Температуру отпуска следует выбирать таким образом, чтобы не вызывать необратимой отпускной хрупкости (отпускной хрупкости I рода).

Высокий отпуск (500...680 °С) применя­ ют для среднеуглеродистых (0,3...0,5% С) улучшаемых сталей. Улучшение создает наи­ лучшее соотношение прочности и вязкости стали. Легирующие элементы Мо, W, Сг, V замедляют процессы диффузии и коагуляцию карбидов, поэтому процессы, происходящие при отпуске, в легированных сталях смещают­ ся к большим температурам. Это позволяет полнее снять остаточные закалочные напря­ жения.

Продолжительность среднего и высокого отпуска обычно составляет 1...2 ч для деталей небольшого сечения и 2...8 ч для массивных деталей.

Для нагрева под закалку, нормализацию и отжиг мелких и средних деталей в термиче­ ских цехах единичного и мелкосерийного производства применяют камерные печи с защитной атмосферой (СНЗ) и без защитной атмосферы (СНО). Для нагрева деталей боль­ шой длины применяют шахтные печи типа СШО и СШЗ. В массовом производстве при­ меняются высокомеханизированные закалоч- но-отпускные афегаты, имеющие как универ­ сальное, так и специальное назначение (типа СНЗА, СКЗА).

Все шире применяются вакуумные печи и установки на их основе, в которых прово­ дится термическая обработка с последующей закалкой в азотоводородной атмосфере при давлениях до 2 МПа со скоростями охлажде­ ния, близкими к охлаждению в масле. В таких устано"вках удается получить чистую поверх­ ность деталей при минимальных деформаци­ ях.

Первый вариант применяют для углеродосодержащих сталей, в которых закалка при­ водит к получению мартенсита высокой твер­ дости и хрупкости. Отпуск проводят с целью снижения хрупкости.

Сплавы, упрочняемые, термической об­ работкой по второму варианту, в закаленном состоянии пластичны. Старение, приводящее к упрочнению, обеспечивает необходимый уровень прочности и вязкости.

Механические свойства стали в первую очередь определяются содержанием в ней углерода, от которого зависит закаливаемость стали.

После закалки стали на мартенсит твер­ дость (рис. 2.9.1) и предел прочности (рис. 2.9.2) интенсивно растут по мере увеличения концентрации углерода, а ударная вязкость резко снижается. При содержании углерода, большем чем 0,4%, ав становится нестабиль­ ным из-за увеличения доли хрупкого разру­ шения.

Повышение конструкционной прочно­ сти состоит не столько в повышении прочно­ стных свойств, сколько в том, чтобы при вы­ сокой прочности предотвратить хрупкое раз­ рушение и обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т.е. обеспечить надеж­ ность материала.

Для оценки надежности материала ис­ пользуют параметры ударной вязкости (KCU, KCV, КСТ), температурный порог хладно­ ломкости (Т50), характеризующие сопротивле­ ние хрупкому разрушению.

Стандартный комплекс механических свойств и вышеперечисленные параметры оценки надежности достаточны для расчетов

6о\

-o-f

|-D-j|

CoffepwaHue углерода, %

Рис. 2.9.1. Зависимость твердости закаленной стали от содержания углерода:

2800 h

2000

1600 h

О,^ 0,0 С,%

Рис. 2.9.2. Влияние углерода на механические свойства закаленных низколегированных сталей