1.2 Условия эксплуатации гидротолкателя, физико-механические характеристики материала корпуса

Гидротолкатель работает в условиях высокого давления масла в масленой магистрали, высокой температуры и в условиях постоянного трения. В связи с этим рабочие поверхности корпуса гидротолкателя должны обладать высокой термостойкостью, износостойкостью, контактной прочностью, которые обеспечиваются выполнением его из стали 15ХГЮА и термообработкой рабочих поверхностей до твердости: цементируемого слоя 56HRC_э; сердцевины 26...41,5 HRC_э. Химический состав и физико-механические характеристики стали 15ХГЮА приведены в табл. 1.1 и табл.1.2.

Химический состав в %

Таблица 1.1

Сталь	С	Мn	Сг	Al
15ХГЮА	0,12 - 0,18	0,80 - 1,10	0,70 - 1,00	0,70 – 1,10

Характеристики механических свойств

Таблица 1.2

Сталь	0,2, МПа	в, МПа	, %	%	КСИ, МДж/м2
15ХГЮА	500	700	12	45	0,7

Условия эксплуатации гидротолкателя:

Настоящие технические условия (ТУ) распространяются на гидротолкатели, предназначенные для автоматической компенсации зазоров клапанного механизма двигателей автомобилей, а также поставляемые запасные части к ним и рассчитанные на эксплуатацию при температуре окружающего воздуха от минус 40⁰ до плюс 45⁰С и влажности до 90% при температуре плюс 27⁰С.

1. Гидротолкатели должны быть заправленымаслом моторным универсальным для автомобильных карбюраторных двигателей M-53/IOR1 ГОСТ 10541-78;

2. Давление рабочей жидкости, подводимой к гидротолкателю от системы смазки двигателя - 0,5...5 кгс/см²;

3. Температура рабочей жидкости: рабочая - -20°С...+90°С, предельная- -45°С...+150°С;

4. Чистота рабочей жидкости на входе в гидротолкатель обеспечивается фильтрацией через установленный в системе смазки двигателя фильтр с тонкостью фильтрации 25...30 мкм.

1.3 Технологические проблемы достижения заданных ту

Рабочими поверхностями корпуса гидротолкателя являются наружная, внутренняя цилиндрические поверхности и торцевая поверхность. Неправильный выбор режимов резания, а также неправильный подбор режущего инструмента, может повлиять на возникновение больших внутренних напряжений по контуру детали, что может привести к дефекту гидротолкателей, как во время дальнейшей обработки, так и во время сборки, испытаний и эксплуатации. Деталь является тонкостенной (толщина стенки ~1,5 при наружном диаметре 30 мм) и поэтому обработку необходимо вести с небольшими режимами резания во избежание ее нагрева, что может привести к короблению детали. После всех операций техпроцеса производится соответствующий контроль по замеру соответствия размеров и формы изготовленной детали конструкторским требованиям, что исключает возможность передачи деталей не соответствующих заданным параметрам на последующие операции механической обработки.

Технические условия на точность изготовления, точность взаимного расположения и шероховатость рабочих поверхностей корпуса гидротолкателя приведены на рис.1.3. Основными из них являются следующие: по наружному диаметру Д (ø 30[/О/ [0,004],Ra 0.32), по торцу (сферическая поверхность [Т0,004], Ra 0,32, биение относительно поверхности А 0,02). Жесткие требования по указан­ным параметрам точности взаимного расположения и шероховатости рабочих поверхностей корпуса компенсатора определяют ряд технологических проблем по существующему маршруту изготовления корпуса компенсатора.

Обработка корпуса гидротолкателя происходит на торце шлифовальном станке немецкой фирмы “Supfina”. Со временем происходит износ импортных немецких абразивных кругов и возникает необходимость в переходе на отечественный инструмент для обработки сферической поверхности. Поэтому возникает необходимость в прогнозировании формирования шероховатости по данной схеме торцового шлифования в зависимости от характеристик отечественного абразивного инструмента и определение рациональной удовлетворяющей требованиям по шероховатости торца корпуса гидротолкателя.

Рис.1.3 Корпус гидротолкателя в сборе

2. Литературный обзор и анализ влияния условий обработки и характеристик абразивного инструмента на формирование геометрических и физико-механических показателей качества поверхности на операциях торцевого шлифования. Выводы из обзора и постановка задач исследования

2.1 Литературный обзор и анализ влияния условий обработки и характеристик абразивного инструмента на формирование геометрических и физико-механических показателей качества поверхности на операциях торцевого шлифования

Шлифование – процесс массового скоростного микрорезания (царапания) поверхностных слоев твердых тел большим числом мельчайших шлифующих зерен, сцементированных в инструмент с помощью связки; процесс протекает на высоких скоростях: наиболее часто до 50 м/с и в отдельных случаях и выше. Процесс шлифования используют для придания изделиям высокой точности, а также для предварительной обработки заготовок.

Шлифование как метод чистовой обработки материалов обеспечивает: высокую производительность, определяемую размером поверхности детали обработанной в единицу времени; высокую геометрическую точность, форму деталей, например, нецилиндричность деталей в пределах 2-3 мкм, некруглость 0,4-0,5 мкм и меньше; высокий класс шероховатости обработанной поверхности; высокое качество поверхностного слоя. Высокое качество деталей, обработанных шлифованием, является результатом снятия с детали огромного числа тончайших стружек и малыми силами, развивающимися в процессе обработки.

Особенности шлифовального инструмента – беспорядочное расположение зерен на его рабочей поверхности. На рабочей поверхности любого шлифовального инструмента (круга, бруска и др.) зерна А, В, С, Д и другие расположены беспорядочно в виде мельчайших «островков», окруженной связкой (рис.2.1). Такое расположение зерен создает прерывистую режущую кромку и обеспечивает большую или меньшую разновысотность зерен.

Рис.2.1. Схемы расположения шлифующих зерен на рабочей поверхности шлифовального круга:

а – беспорядочное (l₁ ≠ l₂ ≠ l₃ ≠ … ≠ l_n);

б – разновысотное (R₁≠R₂≠R₃≠…≠R_n)

Рассмотрим работу шлифовального круга. У шлифовального круга вершины зерен всегда имеют различное радиальное расположение относительно некоторого идеального диска (R₁≠R₂≠R₃≠R₄ и т.д.), что обеспечивает различную нагрузку на отдельные шлифующие зерна в процессе шлифования. Возможен случай, когда стружку снимают одновременно несколько режущих элементов данного шлифующего зерна.

Разновысотность зерен, наличие у круга неточностей геометрической формы (бочкообразности, конусности и др.), а также некоторого его биения не позволяют обеспечить равномерной нагрузки всех зерен круга. Наиболее нагруженными являются выступающие зерна (режущие и давящие), а многие невыступающие зерна определенное время не работают. Лишь естественный износ выступающих зерен или новая правка круга вводит в работу эти зерна.

В работающем шлифовальном круге имеются режущие, давящие и нережущие зерна, причем общее число зерен в круге

Z = z_р + z_д +z_н ,

где z_р – число режущих зерен, z_д – число давящих зерен, z_н – число нережущих зерен.

Принимая z =100%, z_р + z_д = 22%, z_д +z_н = 90% и z_р =10%, получим: для определенных условий абразивного шлифования 78% абразивных зерен являются нережущими, 12% - давящими и только 10% - режущими.

В связи с беспорядочным расположением зерен, их разновысотностью и различными расстояниями между ними, в процессе шлифования будут переменными: подачи на зерно, фактические глубины резания зернами, толщины срезов отдельными зернами.

При шлифовании глубина резания t_z зерном является величиной, близкой к поперечной подаче на зерно S_Z, т.е. к подаче зерна, обеспечивающей его врезание в обрабатываемый материал.

Под срезом понимается толщина слоя, снимаемая одним шлифующим зерном (a_Z) – расстояние между поверхностями резания (царапания), образованными двумя последовательными положениями вершины зерна, измеренное по нормали к поверхности резания.

Величина a_Z, характеризующая нагрузку на шлифующее зерно, влияет на процесс шлифования. От толщины слоя, снимаемого одним шлифующим зерном, зависят: затупление зерен (стойкость круга), сила резания, развиваемая одним зерном, шероховатость шлифованной поверхности, мгновенная температура в зоне работы зерна и др. Чем больше величина a_Z, тем глубже проникают шлифующие зерна в обрабатываемый материал, тем больше износ зерен и связки. Влияние толщины слоя, снимаемого одним зерном на процесс шлифования исключительно велико, причем при изменении a_Z изменяется режим работы круга и условия шлифования.

Беспорядочное расположение шлифующих зерен на рабочей поверхности круга обеспечивает различную конфигурацию и размеры срезов, снимаемых отдельными зернами. Для абразивного круга форма и размеры срезов зависят от режима резания, например отношения окружных скоростей υ_д/υ_кр.

При шлифовании наиболее типичными являются три формы снимаемых слоев – стружек: ленточные, запятообразные и сегментообразные. Наиболее часто встречается ленточная стружка, реже – запятообразная стружка. При постоянной окружной скорости круга увеличению окружной скорости детали соответствует возрастание подачи на шлифующее зерно и переход формы снимаемого слоя от запятообразного в сегментообразный. В реальном процессе шлифования основная масса снимаемых слоев будет иметь самую различную промежуточную форму. [2].

Шлифование плоскости имеет некоторые тех­нологические особенности. В настоящее время предъявляются большие требования к точности плоскости характеризуемой прямолинейностью в различных направлениях. Кроме того, часто необходимо уложиться в очень узкий допуск на такие пространственные отклонения, как параллельность или перпендикулярность к дру­гим плоскостям или осям.

Как известно, в настоящее время сущест­вуют два метода обработки плоскости:

1) пери­ферией круга;

2) торцом круга.

Нужно отметить, что, несмотря на широкое распространение в промышленности плоского шлифования торцем круга, до настоящего времени мало опубликовано материалов по исследованию этого процесса. В то же время он имеет ряд принципиальных характерных особенностей.

Для предварительного шлифования в целях повышения производительности за счет лучше­го использования режущих свойств рабочей поверхности круга ось последнего несколько поворачивают. При этом каждое абразивное зерно в любой момент встречается со «свежим» металлом. Попадание зерен в старые царапины маловероятно, что значительно повышает съем металла в единицу времени.

Наклон оси круга рассчитывается с учетом снимаемого припуска. При таком положении создаются условия, при которых сохраняется плоскостность рабочего торца круга, хотя на первый взгляд кажется, что условия для этого не благоприятные. Абразивные зерна, находящиеся ближе к периферии круга, имеют большую скорость, чем зерна, расположенные на средних участках его торцовой поверхности. Поэтому средние участки торца должны быстрее изнашиваться, так как абразивные зерна снимают здесь более толстые стружки, что вызывает увеличение сил резания, действующих на каждое зерно, и, следовательно, более быстрое выкрашивание их из связки. Зерна на перифе­рийной части торца, работая на повышенных скоростях, сре­зают более тонкие стружки, и всвязи с чем силы резания, дей­ствующие на каждое зерно, здесь меньше, чем в первом случае, и зерна дольше удерживаются в связке. На этих участках круг ведет себя как более твердый. Можно сказать, что эти участки обладают большей режущей способностью и при равных усло­виях следовало бы ожидать меньшего износа. Казалось бы, что торец круга должен стать вогнутым. В действительности этого не происходит.

Если представить образование вогнутости, то абразивные зерна, находящиеся ближе к периферии, будут наносить цара­пины на «свежих» участках обрабатываемой поверхности. По мере удаления от периферии зерна будут наносить царапины по уже прорезанным участкам. Следовательно, значительная часть зерен будет попадать на прорезанные царапины. Поэтому по мере приближения к оси вращения круга усиливается раз­грузка абразивных зерен и уменьшается износ, что противо­действует образованию вогнутости.

Итак, несмотря на различие режущей способности, вызван­ное различной окружной скоростью абразивных зерен па торце круга, все же фактическая работа резания между отдельными зернами значительно выравнивается. Создаются условия для самоподдержания первоначальной плоской формы тор­ца, созданной правкой. Время от правки до правки увеличи­вается.

Вполне понятно, что при чистовых операциях угол поворота очень мал. Для установки таких углов современные плоскошли­фовальные станки не приспособлены. Нужно создать узлы тонкой регулировки этих углов по соответствующим шкалам.

Получение шлифованной плоской поверхности сопровожда­ется чаще всего образованием так называемой «сетки», что говорит о хорошей точности прошлифованной плоскости.

Рис.2.2 Схема образования сетки на шлифуемой плоскости при работе торцом круга: 1 – магнитный стол, 2 – шлифуемая деталь;

3 – шлифовальный круг

Предположим, что на круглом магнитном столе 1 (рис.2.2) установ­лены обрабатываемые детали 2. При вращении стола эти дета­ли придут в соприкосновение с кругом 3 в точке с, и здесь начинается шлифование. Следы резания-царапания будут па­раллельны следу ab. При повороте стола на угол α деталь при­дет в соприкосновение с противоположной стороной круга в точке k. При этом абразивные зерна начнут шлифовать обрабатываемую поверхность в другом направлении. Следы отдельных резцов-царапин будут примерно параллельны сле­ду dl. Легко убедиться, что следы царапин, образовавшиеся при проходе детали под кругом, и будут образовывать сетку. Если снимаемые припуски большие, следы резания левой (входной) стороной круга полностью удаляются и вновь обра­зуются правой (выходной) стороной круга; тогда сетка не создается, а сама шлифованная поверхность не будет плос­костью.

Если смотреть по направлению прохождения деталей в ра­бочей зоне, то можно представить, что после вы­хода их из-под передней стороны круга (входной) шлифован­ные поверхности получаются выпуклыми. Следовательно, чем больше поворот оси шпинделя, тем большей будет вогнутость на шлифованной поверхности. Нали­чие сетки говорит о том, что на поверхности остались следы oт резания входной и выходной сторонами круга. Значит, в боль­шинстве случаев можно полагать, что отклонения от идеальной плоскости лежат в пределах высоты шероховатостей при шли­фовании. Отсутствие же сетки свидетельствует о значительно боль­шем отклонении от идеальной плоскости (т. е. величина откло­нений от идеальной плоскости выходит за пределы высоты гребешков). Исходя из сказанного, можно считать, что при предварительных операциях конечное формирование поверх­ности осуществляется выходным краем круга, а при чистовых — почти всей торцовой поверхностью круга.

Магнитный стол с установленными на нем деталями осу­ществляет круговую подачу, скорость которой в 40—50 раз меньше скорости вращения шлифовального круга. Предста­вим, что какой-то элементарный участок поверхности детали а (рис.2.3), соприкасаясь с абразивной торцовой поверх­ностью круга, перемещается со скоростью круговой подачи по дуге АВ, которая пересечет одну из сторон шлифовального круга по дуге bс. Следовательно, элементарный участок шли­фуемой поверхности пройдет зону, где скорость абразивных зерен будет изменяться от максимальной в точке b до мини­мальной в точке с (рассматриваем процесс при прохождении детали с одной стороны круга). В диаметрально противоположной стороне процесс аналогичный, но протекать он будет в обратном порядке.

В какой-то момент движения исследуемого элементарного участка через сечение bс пройдут несколько рядов абразивных зерен, лежащих па радиальных лучах. Совместим мысленно эти ряды зерен и плоскость bс и получим абразивный контур (рис.2.3). Поскольку в направлении от b к с окружная скорость уменьшается, режущий контур будет как бы плотнее в периферийной части круга и менее плотным в зоне с меньшими окружными скоростями. Так как исследуемый элементарный участок движется со скоростью круговой подачи вдоль этого режущего контура от точки b к точке с, то вполне понятно, что при этом движении режущий контур будет последовательно ко­пироваться на этот участок. Поэтому шероховатость его будет изменяться от меньшей к большей. Но, учитывая работу вто­рой стороны круга, видим, что шероховатость в конечный момент образуется периферийной частью круга (т. е. плотной зоной режущего контура).

Рис.2.3 Схема образования шлифованной поверхности при работе торцом круга: 1 – магнитный стол; 2 – круг; 3 – деталь

Повышение шероховатости при прохождении средней зоны круга объясняется не только приведенными геометрическими соображениями, но и факторами, связанными с формой по­перечного сечения снимаемой стружки: при снижении скорости каждое абразивное зерно при резании-царапании снимает более толстые стружки, что, как известно, повышает шерохо­ватость.

Интересной особенностью процесса плоского шлифования является непрерывность работы абразивного зерна (в период его стойкости) и выравнивание удельной работы резания в связи с особенностями микрорельефа шлифуемой поверх­ности.

При пло­ском шлифовании торцом круга каждое зерно почти все время работает в металле. Если имеется выход из металла то этот период по отношению к периоду резания обычно составляет небольшую долю. В результате контакта шероховатого микрорельефа обрабатываемой поверхности и нерегулярного (беспорядочного) режущего контура в процессе резания имеются зерна режущие, скоблящие и просто давящие. Не все зерна в период контакта выполняют работу резания-царапания.

Входная сторона круга работает с образованием длинных и тонких стружек, а на выходной стороне в результате образования сетки стружка получается мелкой (короткой). Но в це­лом отмечается образование стружек более длинных, чем при любом другом виде шлифования. Отходы плоского шлифования имеют вид ваты.

При плоском шлифовании торцем круга тепловое воздействие на обрабатываемую поверхность значительно больше, чем при любом другом виде шлифования, а поэтому размазывание металла, доведенного в зоне резания до пластически размягченного состояния, здесь усиливается.

Следовательно, и зоне контакта круга с обрабатываемой по­верхностью одновременно протекают следующие основные процессы:

1. резание-царапание закрепленными абразивными зернами;

1. обкатывание поверхности свободными (выпавшими из связки) зернами, что в свою очередь производит шарошение круга;

2. пластические деформации тончайшего поверхностного слоя, сопровождающиеся размазыванием металла по этой поверхности.

Все это придает особый характер процессу формирования основных характеристик качества шлифованной поверхности.

Следует отметить, что одно и то же зерно за один оборот круга подвергается переменной частоте колебаний. В различ­ные моменты вращения следы резания пересекаются под раз­личными углами, поэтому даже при всех прочих равных усло­виях на каком-то отрезке число встреч зерна с выступами будет различным. В действительности получается сложная картина наложения колебании.

При торцовом шлифовании почти вся рабочая поверхность находится в непрерывном контакте с обрабатывае­мым металлом т е. можно считать, что рабочий торец круга одновременно во всех его частях одинаково напряжен и деформирован. В таких условиях износ круга несколько снижается.

Исследованиями установлено, что при шлифовании, как и при любом другом виде резания, на абразивных зернах могут образовываться наросты. Наросты образуются и развиваются после прохождения определенной длины риски.

Шлифование можно рассматривать как сумму большого числа царапаний, причем здесь образуются короткие риски, так как царапающие зерна абразива лишь очень малое время воз­действуют на металл. При очень коротких рисках наросты, как правило, образоваться не успевают. Однако следует за­метить, что даже при таких коротких рисках все же для неко­торых металлов на абразивных зернах наросты могут образо­вываться.

Исследованиями плоского шлифования установлена интересная картина процессов образования и срыва на­ростов. Абразивные зерна входной стороны шлифовального круга наносят длинные царапины, поэтому здесь отделяются длинные стружки. Вполне понятно, что в таких условиях доста­точно времени и длины пройденной риски, чтобы успел обра­зоваться и развиться нарост.

В возникновении наростов главную роль, по-видимому, иг­рают явления схватывания, сопровождающиеся глубинным разрушением. Иначе говоря, молекулярное схватывание сопро­вождается глубинным вырыванием металлических частиц и «переносом» их на поверхность абразивного зерна. В зоне высоких скоростей резания размеры переносимых частиц весь­ма незначительны, и здесь можно скорее говорить о микроглубинном вырывании. На процесс наростообразования большое влияние оказывают физико-механические свойства обрабаты­ваемого материала, материала абразивного зерна, внешняя среда, температура в зоне контакта, скорость резания и дру­гие режимные факторы. [3].

Развитие технологии машиностроения как науки за последние 30 лет позволило сделать вывод, что на образование шероховатости при абразивной обработке оказывают влияние следующие факторы:

1) геометрия рабочей части инструмента и кинематика его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности;

2) колебательные перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности;

3) упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;

4) шероховатость рабочей части инструмента;

5) вырывы частиц обрабатываемого материала.

В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих факторов на образование шероховатости поверхности будет различной. Первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которая может быть описана математически. Пятый фактор вызывает образование случайной составляющей профиля и определяет разброс или дисперсию параметров шероховатости. [8].