Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

В и б р о у д а р н а я о б р а б о т к а (ВиУО) — метод ППД (рис. 2.9.30), осуществ­ ляемый соударением колеблющихся частиц обрабатывающей среды (ЧОС) (в виде сталь­ ных закаленных шаров, роликов и др.) с по­ верхностью обрабатываемых деталей, поме­ щенных в рабочую камеру (РК), установлен­ ную на упругих элементах.

Рис. 2.9.30. Схема процесса виброударной обработки:

1 — рабочая камера; 2 — подача СОЖ; 3 — насос; 4 — бак-отстойник; 5 — слив; 6 — пружина; 7— вибратор; 8— дебаланс; 9 — основание;

10 — амортизаторы; /7 — обрабатываемые детали

В РК загружают ЧОС и обрабатываемые детали. В процессе обработки ЧОС колеблют­ ся. Под действием вибраций обработка про­ исходит относительно равномерно во всех зонах рабочей камеры. Она сопровождается непрерывной циркуляцией или периодиче­ ской подачей технологической жидкости (ТЖ).

Технологические параметры ВиУО: ам­ плитуда и частота колебаний, соответственно А = 0,5...9 мм и / = 15...50 Гц; скорость со­ ударения . ЧОС и обрабатываемых деталей 0,3... 1 м/с; ускорение 20... 150 м/с^; давление при соударении 300...700 МПа; температура в рабочей камере не превышает обычно 30...40 °С.

В процессе ВиУО происходит уменьше­ ние шероховатости поверхности до Ra = 0,2 мкм, повышение микротвердости на 20...60 % на глубине 0,1...0,5 мм и более; об­ разование в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжении; округление острых кромок, удаление заусенцев, уменьшение или ликвидация концентраторов напряжений. Всестороннее нанесение множества микро­ ударов способствует выравниванию остаточ­ ных напряжений по сечению детали, что по­ зволяет использовать ВиУО не только в каче­ стве зачистной и упрочняющей, но и стабили­ зирующей обработки (стабилизации формы и размеров деталей).

На качество и производительность ВиУО влияют режимы и продолжительность обра­ ботки, характеристика и размеры ЧОС, состав и количество ТЖ, масса обрабатываемых де­ талей, их количество в рабочей камере. Неко­ торые зависимости представлены на рис. 2.9.31 и 2.9.32.

Достоинством станков резонансного ти­ па является возможность создания станков большой массы, меньшей энергоемкости и привода.

Современные станки для вибрационной обработки деталей работают в основном в зарезонансном режиме, который характеризу­ ется минимальными усилиями, действующи­ ми на подшипники вибратора и упругие свя­ зи, и достаточно высокой устойчивостью.

Наибольшее распространение получили инерционные (дебалансные) (см. рис. 2.9.30)

иэлектромагнитные вибраторы. Расположе­ ние оси привода может быть горизонтальным, вертикальным, наклонным и поворотным, что определяет направление действия возмущаю­ щей силы.

Форма рабочей камеры оказывает влия­ ние на характер и интенсивность перемеще­ ния рабочей среды и обрабатываемых деталей. Объем рабочей камеры составляет от 0,5... 1 до 1000...28000 дмЗ .

Ввибрационных станках применяют уп­ ругие элементы, связывающие колеблющиеся

инеподвижные массы, в виде стальных спи­ ральных пружин, пластинчатых рессор, резинокордных баллонов и упругих элементов из резино-металлических элементов.

Станки периодического действия пред­ назначены для обработки деталей партиями, непрерывного — для обработки непрерывно движущегося потока деталей.

Универсальные станки предназначены для обработки деталей самой разнообразной номенклатуры; специализированные — для обработки деталей сходных по конфигурации и размерам; специальные предназначены для обработки деталей определенного типоразме­ ра.

Немеханизированные вибрационные станки предназначены для обработки деталей без применения средств механизации на вспомогательных операциях (загрузка и т.п.). Для обработки непрерывно движущегося по­ тока деталей более приемлемыми являются автоматические вибрационные станки непре­ рывного действия (с рабочей камерой про­ ходного типа) полностью механизированные. Известны два вида вибрационных станков непрерывного действия: с прямоугольной формой РК и в виде спирали или торового кольца с разделительным устройством.

Дополнительное оснащение вибрацион­ ных станков включает сепараторы для разде­ ления деталей и рабочей среды, устройства для загрузки вибрационных станков, транс­ портирования и сушки деталей и т.п.

Сушка деталей после ВиУО осуществля­ ется тремя способами: испарением, центри­ фугированием, вращением барабана с опил­ ками.

Выбор рабочей среды (PC) определяется назначением операции, материалом заготовки (детали), особенностями ее конфигурации и размерами, условиями эффективности про­ цесса.

В зависимости от целей ВиУО приме­ няются абразивные, металлические, полимер­ ные, древесные, войлочные, стеклянные и др. PC.

Для ППД применяются среды в виде полированных стальных шаров диаметром 1...16 мм из закаленной стали ШХ15, роликов цилиндрических и игольчатых, рубленной проволоки или прессованных тел, соответст­ вующих форм и размеров из стальных твер­ дых сплавов.

Для весьма тонкой отделки применяют стеклянны шарики из высококачественного стекла.

Существенное влияние на протекание процесса ВиУО оказывают технологические жидкости (ТЖ), обеспечивающие удаление продуктов износа с поверхности обрабатывае­ мых заготовок и частиц среды, предохранение от коррозии и пылсобразования; препятст­ вующие слипанию заготовок и способствую­ щих их равномерному распределению в рабо­ чей среде.

Основной ТЖ в большинстве случаев являются водные растворы щелочей, кислот и нейтральных солей, которые в зависимости от характера выполняемой операции дополняют­ ся различного рода химическими добавками.

Вводимые в ТЖ химические добавки интенсифицируют процесс, повышают анти­ коррозионные и смазочные свойства раство­ ров; могут образовывать сильную пенистую подушку, способствуют лучшему сглаживанию обрабатываемой поверхности и обрабатывае­ мости мягких и вязких материалов; обладают свойствами блескообразования; препятствуют загрязнению и затемнению полируемых по­ верхностей; предотвращают слипание плоских поверхностей и обеспечивают их равномер­ ную обработку.

Для интенсификации обработки в состав ТЖ вводят низкомолекулярные ПАВ и полимеросодержащие ТЖ.

Расчет основных параметров виброудар­ ной упрочняющей обработки с рабочей сре­ дой из закаленных стальных шаров включает расчет шероховатости поверхности, мини­

мального времени для достижения стабильной шероховатости, толщины упрочненного слоя нормы штучного времени, потребного коли­ чество оборудования, объема рабочей среды.

Виброударная обработка ППД приводит к повышению износостойкости, сопротивле­ нию усталости на 15...70%, долговечности в 3—10 раз в зависимости от условий работы деталей, режимов и технологии упрочнения, материала, исходного состояния поверхности, предьщущей термообработки., контактной жесткости, отражательной способности, кор­ розионной стойкости и некоторых других свойств.

Совмещенный процесс ППД вибраци­ онным способом и нанесения дисульфида молибдена или графита на поверхность гиль­ зы гидроцилиндров, шестерни, рейки, вкла­ дыши сферических подшипников и т.п. по-, зволяет уменьшить коэффициент трения и повысить износостойкость деталей.

Примеры ВиУО типовых деталей приве­ дены в табл. 2.9.17.

Ударно-барабанная обработка осуществ­ ляется во вращающихся барабанах различных конструкций. В качестве обрабатывающей среды применяют преимущественно стальные полированные шары различного диаметра, дробь, рубленую проволоку из различных материалов. В процессе вращения барабана частицы обрабатывающей среды, поднявшие­ ся до определенного уровня, срываются под действием силы тяжести и соударяются с по­ верхностью обрабатываемой детали, которая помещена в барабане в свободном или закре­ пленном состоянии.

К важнейшим параметрам процесса от­ носятся скорость вращения барабана, его раз­ меры, плотность и общая масса ЧОС, состав ТЖ, соотношения объема деталей и рабочей среды. Время обработки 0,5—30ч.

Существуют следующие разновидности ударно-барабанной обработки: центробежная (или планетарная) галтовка, турбуляционная, шпиндельная галтовка в вибрирующих и вра­ щающихся барабанах, галтовка в винтовых барабанах — роторах.

Наиболее эффективно применение ударно-барабанной обработки больших пар­ тий деталей, сравнительно небольших разме­ ров (до 100... 150 мм). Обработке могут под­ вергаться детали из различных материалов и сплавов.

Ударно-барабанная обработка ППД уменьшает шероховатость поверхности, уп­ рочняет поверхностный слой на глубину 0,05—0,3 мм и более.

Чеканка — это ППД, осуществляемое при возвратно-поступательном движении ин­ струмента перпендикулярно обрабатываемой поверхности.

Чеканка применяется для упрочнения тех участков крупных деталей машин, кото­ рые являются эффективными концентратора­ ми напряжений: галтели (рис. 2.9.33), основа­ ния зубьев крупных шестерен, канавки, углы шпоночных пазов и дна шлиц, сварные швы и т.п.

Для чеканки используют устройства с механическим или пневматическим приво­ дом, устанавливаемые на универсальные то­ карные, фрезерные или специальные станки.

Наибольшее распространение получили пневмомолотки с числом ударов в минуту 1500...3500 и мощностью 6...20 Дж. Форма деформирующего инструмента должна соот­ ветствовать профилю упрочняемой поверхно­ сти. Для упрочнения сварных швов, наряду с однобойковым инструментом, применяются моногобойковые в виде пучка, состоящего из 25...30 проволочек диаметром 2...3 мм и дли­ ной 150...180 мм.

Рис. 2.9.33. Схема упрочнения чеканкой галтели большого радиуса

Распространение получили чеканочные устройства, созданные на основе пневмомолотков 57КМП-4 и КЕ19, и многобойковые пневмоинструменты типа П-2а.

Взависимости от требуемой толщины а

истепени деформации е рассчитываются тре-

Рис. 2.9.36. Зависимость контактной силы Р от технологических параметров

Рис. 2.9.37. Схема УЗУ вала:

1 — магнитнострикционный преобразователь;

2 — ультразвуковой генератор; 3 — концентратор;

4 — инструмент; 5 — вал; 6 — груз

Упрочнение блоком щеток трех беговых дорожек лапы бурового долота, играющих роль внутренних колец подшипников, со ско­ ростью 30...34 м/с, натяге 2...4 мм в течение 25 с более чем в 2 раза повысило их контакт­ ную выносливость и износостойкость (опора долота работает в условиях трения качения и одновременно подвергается абразивному и другим видам износа). Материал лапы доло­ та - сталь 14ХНЗМА (56-60HRC).

Особенно значительным оказывается повышение сопротивления усталости сварных соединений (табл. 2.9.20).

Обработка щетками является высоко­ производительным процессом, легко поддаю­ щимся автоматизации. Особенно целесооб­ разно применение щеток при обработке: сложных профилей; прерывисуых поверхно­ стей; поверхностей, прилегающих к выточ­ кам, буртам и т.п. Ввиду незначительных уси­ лий, действующих со стороны инструмента на заготовку, щетки незаменимы при обработке деталей пониженной жесткости.

У л ь т р а з в у к о в о е у п р о ч н е н и е (УЗУ) — это метод ППД (рис. 2.9.37), при котором к инструменту (шарику, ролику, ал­ мазному выглаживателю), установленному в концентраторе, наряду со статической силой прижима к поверхности сообщают ультразву­ ковые колебания, создаваемые специальным генератором (табл. 2.9.21).

Применение УЗУ эффективно для термообработанных деталей, инструментов из твердых сплавов, деталей малой жесткости.

УЗУ проводят на универсальных или специальных станках.

Рекомендуемые режимы приведены в табл. 2.9.22.

2.9.20. Эффективность упрочнения щетками сварных соединений из сплава ПТЗВ

Предел выносливо­ Объект испытания сти при изгибе на базе 5-10^ циклов

2.9.6. УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ КОНЦЕНТРИРОВАННЫМИ ПОТОКАМИ ЭНЕРГИИ

И ФИЗИЧЕСКИМИ полями

Обработка КПЭ приводит к нагреву по­ верхности и прилегающего слоя тела и после­ дующего охлаждения до исходной температу­ ры. Термический цикл обеспечивает модифи­ кацию поверхностного слоя и повышение его эксплуатационных свойств. Скорости нагрева и охлаждения, а также температурные гради­ енты в разных точках тела, другие параметры процесса обработки изделий определяются:

теплофизическими свойствами обраба­ тываемого материала;

эффективной тепловой мощностью, т. е. количеством энергии, вводимой в тело в еди­ ницу времени;

КПД процесса, определяемое отнощением эффективной тепловой мощности к пол­ ной мощности источника энергии;

распределением вьщеляемой мощности по поверхности или объему тела и изменени­ ем ее во времени;

временным режимом воздействия на ма­ териалы — импульсным непрерывного дейст­ вия и импульсно-периодическими;

длительностью импульса т, и формой временного изменения мощности;

распределением мощности по пятну нагрева.

Для модифицирования поверхностного слоя используют поверхностные источники, у которых глубина проникновения мала по сравнению с радиусом пятна нагрева г^.

Наиболее важное практическое значение имеет Гауссово (нормально-круговое) распре­ деление мощности КПЭ по пятну нагрева, которое описывается соотнощением

сти, определяющий степень остроты кривой нормального распределения, величина кото­ рого обратно пропорциональна квадрату ра­ диуса условного пятна нагрева го, в пределах которого сосредоточена основная мощность

КПЭ (к^Ъ/г^).

Задачи опытного нахождения температу­ ры при импульсном воздействии КПЭ на материалы являются весьма сложными, по­ этому в практике широкое применение полу­ чили расчеты тепловых процессов для опреде­ ления ожидаемых глубин зон закалки и дру­ гих величин.

Тепловые процессы при упрочнении по­ верхностного слоя концентрированными пото­ ками энергии. Из теории теплопроводности твердого тела следует, что если радиус пятна

контакта Г ^ » ( А О , (где а — температуро­ проводность), то распределение температуры по глубине тела мало отличается от одномер­ ного.

Тогда температурное поле в теле при действии поверхностного источника тепла (без учета теплоотдачи с поверхности тела) описывается соотношением

T(z,t)-TQ=2q2 V^X~4erfc(z/2 7^7) ,

где T(z, t) — температура в точке z тела в мо­ мент времени t, TQ — начальная температура; ^2 — плотность потока энергии; Х — тепло­ проводность.

Функция интеграла вероятности

zliljat)

Время /;„ после начала действия источ­ ника тепла, когда на поверхности тела дости­ гается температура плавления Tfn'.

Увеличение плотности потока д2, на­ пример на порядок, приводит к уменьшению времени /^ в 100 раз.

Температура поверхности тела Г (О, t) изменяется с течением времени / по закону:

справедливому, пока глубина тепловой диф­ фузии не станет соизмеримой с радиусом пятна нагрева, т.е. задача не перестанет быть одномерной.

Важными практическими параметрами процессов обработки материалов КПЭ явля­