Повышение качества обработки отверстий комбинированными режуще-деформирующими развертками

В настоящий момент развитие техники характеризуется ужесточением эксплуатационных параметров конструкции изделий. Это обусловило расширение и повышение требований к качеству изготовления их деталей. В первую очередь это относится к обработке и образованию поверхностностей деталей, поскольку самые сложные явления, определяющие практически все служебные свойства деталей и машин протекают в поверхностных слоях материалов деталей. Именно поэтому уделяется огромное внимание проблеме качества поверхности во всех передовых промышленных странах.

С помощью широко применяемых традиционных методов окончательной обработки (шлифование, хонингование, доводка) создается необходимая форма деталей с заданной точностью, но часто при этом не обеспечивается оптимальное качество поверхностного слоя.

Основные органические недостатки традиционных методов финишной обработки: нарушение целостности и подрезание волокон обрабатываемого материаланеоднородность обработанной поверхностиразрыхление поверхностных слоев и шаржирование в них инородных частиц, а также высокие температуры резания при абразивной обработке, изменяющие структуру материала.

Наиболее надежное получение качественной поверхности дают методы холодной обработки давлением с образованием на поверхности деталей регулярных микрорельефов. Основными способами обработки внутренних поверхностей методом поверхностного пластического деформирования являются: раскатывание, выглаживание и дорнование.

Управление процессом чистовой обработки давлением существенно осложняется тем, что приповерхностный слой материала заготовки имеет предельно неоднородную микрогеометрию. Выходом может стать комбинированная обработка, сочетающая в себе одновременно предварительное резание и пластическое деформирование.

Повышение эффективности металлообработки является одним из основных направлений развития современного машиностроения. Снижение отходов в стружку или уменьшение припусков на обработку резанием приводит к существенному экономическому эффекту. Прежде всего, это относится к обработке деталей типа втулок, труб, цилиндров, гильз, которые находят применение во многих машинах и механизмах.

Совмещение обработки резанием и холодным пластическим деформированием с использованием особенностей и достоинств той и другойодно из направлений совершенствования металлообработки как в отношении сокращения цикла изготовления и повышения производительности труда, так и повышения качества обрабатываемых деталей.

Анализ литературных источников показал, что существующие данные по комбинированной обработке отверстий представляют лишь ряд разрозненных противоречивых предложений без соответствующей научной и инженерной проработки.

Сложность процесса, отсутствие математической модели, которая давала бы возможность с удовлетворительной точностью рассчитать его характеристики — деформации, силы, контактные давления и т. д. позволяют говорить о недостаточной степени исследования и об актуальности этой научной и инженерной задачи.

Можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время совмещенная обработка резанием и давлением будет занимать все большее место в металлообработке и в первую очередь в автоматическом цикле обработки деталей машин, приборов и аппаратов.

Целью данной работы явилось: исследование возможности осуществления процесса комбинированной обработки отверстий с помощью развертки, сочетающей резание и пластическое деформирование. Изучение особенностей процесса и его влияния на качество получаемых деталей. Разработка новых конструкций инструментов и обоснование рекомендаций по их рациональной эксплуатации.

Поставленная в работе цель и анализ современного состояния проблемы определили следующие основные задачи исследований:

— разработка нового эффективного процесса обработки отверстий цилиндров гидроаппаратуры, сочетающего резание и пластическое деформирование поверхностного слоя осевым инструментом;

— теоретическое исследование технологических закономерностей процесса, которое может быть положено в основу проектирования инструментов и технологических процессов комбинированной обработки;

— экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров комбинированного инструмента и режимов обработки на качество поверхности;

— экспериментальное исследование влияния основного параметра обработки — натяга на изменение размеров детали и определение технологических зависимостей;

— разработка методики расчета параметров комбинированной обработки отверстийразработка методики проектирования новых конструкций комбинированного инструмента на базе выполненных исследований.

Теоретические исследования технологических закономерностей процесса получения поверхностного слоя отверстий гидроцилиндров, состоящего из предварительной обработки резанием и чистовой обработки пластическим деформированием, показали, что на все основные качественные показатели и в первую очередь на значения параметров и характеристик микрогеометрии наибольшее влияние оказывает максимальное значение нормальных и касательных напряжений, возникающих в очаге деформации, а также соотношение их значений, определяющее направление деформации и перемещения металла в зоне контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью. Таким образом, задача сводится к определению величин и направлений главных напряжений, рассматриваемых в теории упругости и пластичности. Эта задача в приложении к упругопластическому деформированию неровностей микрорельефа технических поверхностей, обрабатываемых различными способами чистовой обработки давлением, в настоящее время с достаточной для практики точностью еще не решена.

Методологической основой работы явился системный подход к изучению и описанию взаимосвязей эксплуатационных свойств детали с технологическими условиями обработки Методика, предусматривает комплексное теоретическое и экспериментальное исследование комбинированного процесса обработки цилиндров гидроаппаратуры и инструментов для его осуществления, количественную оценку технологических факторов процесса. Применены современная измерительная аппаратура, средства системного исследования с использованием ЭВМ и методы математической статистики. При конструировании комбинированного режуще-деформирующего инструмента использовалось трехмерное твердотельное моделирование в системе автоматизированного проектирования КОМПАС.

Основным технологическим параметром комбинированного процесса является натяг — припуск под деформирование, равный разнице между диаметром деформирующего элемента (сГ) и диаметром предварительно полученного отверстия = номинальному диаметру режущей части развертки).

I = с1-с1о.

Применительно к комбинированному процессу обработки отверстий в данной работе рассматривалась та область значений натягов, которая обеспечивает шероховатость и микротвердость поверхностного слоя оптимальные для деталей гидроаппаратуры.

Научная новизна представленной работы состоит в.

— параметрической модели процесса комбинированной обработки отверстия, в котором ограничивающим фактором является высота микронеровностей и глубина упрочненного слоя;

— закономерностях, связывающих высоту микронеровностей и параметры упрочненного слоя с режимами комбинированной обработки и конструктивными параметрами инструмента.;

— установленной зависимости величины натяга при комбинированной обработке от толщины стенки детали;

— экспериментально обоснованной методике проектирования комбинированных инструментов для обработки отверстий цилиндров гидроаппаратуры.

Анализ процесса комбинированной обработки дает основание считать, что основными факторами, определяющими величину оптимальной шероховатости и степени упрочнения являются: шероховатость предварительной обработки, конструктивные параметры инструмента (натяг, угол заборного конуса, параметры выглаживающего элемента), параметры обработки (контактное давление, подача, скорость) и параметры заготовки (толщина стенки).

Результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных параметров комбинированного инструмента и режимов обработки на качество обработки деталей позволили получить параметрическую модель процесса комбинированной обработки отверстий гидроцилиндров.

Результатами практического использования исследований явилась разработка методики проектирования конструкций комбинированных инструментов для обработки отверстий. Рекомендации по увеличению стойкости комбинированного инструмента. Разработка системы вспомогательного инструмента для обеспечения минимального биение.

Использование комбинированного инструмента для обработки отверстий позволило получить экономический эффектом 750 тыс. тенге при изготовлении гильз гидроаппаратуры на АО Петропавловский завод тяжелого машиностроения.

Основными положениями, выносимыми на защиту являются:

— обеспечение качества внутренней поверхности цилиндров гидроаппаратуры целесообразно выполнять с помощью комбинированной режуще-деформирующей обработки;

— качество обработки определяется технологическими параметрами процесса, а именно режимами обработки и конструкцией инструмента;

— методика определения величины натяга и параметров шероховатости при деформирующей обработке в зависимости от толщины стенки;

— методика определения параметров лезвийной и деформирующей обработки;

— методика проектирования комбинированного режуще-деформирующего инструмента для обработки отверстий с прогнозируемыми эксплуатационными характеристиками;

— рекомендации по рациональной эксплуатации комбинированного инструмента для обработки отверстий.

Апробация работы: основные положения и результаты изложены и обсуждены на П Республиканской научно-технической конференции «Научно-технический прогресс: управление качеством, энергои ресурсосбережение на пороге XXI века» (Усть-Каменогорск, 2001 год) — научно-практическом семинаре «Развитие высоких технологий в машиностроении» (Петропавловск, 2003 год), на Ш международном форуме «Информатизация образования Казахстана и стран СНГ» (Алматы, 2004 год),), на международной конференции «Байконуровские чтения — IV» (Жесказган, 2004 год), докладывалось на межкафедральном семинаре ОмГТУ 15 сентября 2004 г.

Выводы по четвертой главе: Экспериментально установлена математическая модель натяга, допустимого пределом деформации при комбинированной обработке. При этом величина натяга является функцией толщины стенки изделия, что позволяет использовать эту зависимость для обеспечения прогнозируемых качественных характеристик поверхностного слоя.

ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1 Разработка методики проектирования комбинированной развертки.

Проектирование комбинированного процесса обработки отверстий целесообразно осуществлять в следующей последовательности.

1. Выбор оборудования.

2. Выбор основных конструктивных и геометрических параметров инструмента и технических требований на него.

3. Подбор универсальных приспособлений и устройств, необходимых для обработки на принятом оборудовании.

4. Определение припуска под обработку.

5. Назначение режимов обработки.

6. Проверка выбранных параметров из условия нормального протекания процесса.

7. Определение машинного времени.

8. Выполнение технико-экономических расчетов.

Из условий прочности, жесткости инструмента и объема стружки определяются его основные конструктивные параметры. Из условий резания принимается или экспериментально устанавливается оптимальная геометрия режущей части.

К основным конструктивным параметрам комбинированной развертки относится: диаметр, длина участков, угол заборного конуса, число и направление зубьев, размеры и форма стружечных канавок, а также геометрия зубьев.

Из-за сложности процесса, причины получения разбивки отверстий еще недостаточно изучены. Отрицательная разбивка (усадка) получается при обработке высокопрочных закаленных материалов при работе развертками с отрицательными передними углами [21]. Это же наблюдается при обработке металлов, обладающих повышенной пластичностью и вязкостью, в особенности в том случае, если развертка не обладает достаточной остротой. Объясняется это тем, что некоторые материалы обнаруживают при развертывании значительную упругость, вследствие которой материал при прохождении режущей кромки несколько подается назад, а затем снова возвращается на свое место. В результате этого материал оказывается снятым не полностью. Здесь имеет место полная аналогия с процессом протягивания. Следовательно, есть возможность воспользоваться зависимостями, полученными при исследованиях деформирующего протягивания.

Значение диаметра обработанного отверстия после прохода деформирующего элемента в общем, виде должно определяется по формуле d = Dk + 2h2-Ud~2)i где Du — наружный диаметр деформирующего элемента, мм- 2hr двойная высота волны внеконтактной деформации, ммUd — упругое восстановление диаметра отверстия, мм 2yi — упругое уменьшение диаметра деформирующего элемента, мм (при использовании цельной конструкции инструмента, можно считать равной нулю).

Диаметр развертки Du = d- 2h2 L Ud (5.1).

В данном случае d — наибольший диаметр обрабатываемого отверстия. Высота волны внеконтактной деформации h2 (рис. 3.4) является функцией толщины стенки, диаметра деформирующего элемента и твердости обрабатываемого материала [60]. — 3 А А67-lKp-3,0 1, h2B = 0,122to°'6f-55Dk012HB'0−34 h2H = 0.0 7 tg'06- f 87 ¦ Dk НЕТ0 26 для расчета величины упругого восстановления диаметра отверстия получена была зависимость [73].

5−2) где <т, — напряжение, определяемое по кривой течения при растяжении образца из обрабатываемого металла, соответствующее суммарной деформации втулки еср. по среднему диаметруЕ — модуль упругости первого рода обрабатываемого материала, кГ/мм2- ц — коэффициент Пуассона;

К1 = (Ш = + (1.

По уравнению (5.1) диаметр отверстия после прохода деформирующего элемента можно рассчитать только приближенно, поэтому можно воспользоваться таблицами экспериментальных опытов [74].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ отечественных и зарубежных литературных и патентных материалов по исследованию процессов повышения качества поверхностного слоя, а также промышленного опыта показывает, что комбинированная обработка отверстий, сочетающая в себе обработку резанием и поверхностным пластическим деформированием не выдвигалась и не изучалась как научно-практическая задача.

Имеющиеся работы по данной проблеме представляют лишь ряд разрозненных противоречивых предложений без соответствующей научной и инженерной проработки, что в сочетании с постепенно проявляющемся к этой проблеме интересом свидетельствует об актуальности этой научной и инженерной задачи, особенно в связи с тенденциями развития металлообработки.

2. Предложен и изучен новый процесс и инструмент типа развертки для комбинированной обработки отверстий, отличающийся наличием на режущих зубьях деформирующих элементов для упрочнения поверхностного слоя.

Экспериментально доказано, что комбинированная обработка отверстий с прогнозируемыми свойствами возможна.

3. Экспериментальные исследования материала и его свойств, приобретаемых в результате комбинированной обработки, показало:

— эффект упрочнения поверхностного слоя обработанного отверстия наблюдается на глубине 1. 1,2 мм;

— поверхностный слой обработанного отверстия приобрел твердость 30 НЯС.

— структура деформированного слоя, особенно у поверхности, приобретает ярко выраженный волокнистый характер.

4. Разработана формализованная модель комбинированного процесса обработки отверстий цилиндров гидроаппаратуры, с учетом особенностей и тенденций современной металлообработки. Разработанная модель процесса комбинированной обработки отверстий, количественно связывает величину нормальной силы с физико-механическими свойствами заготовки, технологическими условиями и конструктивными параметрами инструментов.

5. Выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы по отработке геометрических и конструктивных параметров комбинированного инструмента. Получены результаты экспериментальный исследований влияния угла заборного конуса режущей части комбинированной развертки на качество поверхностного слоя отверстия цилиндра. Экспериментально установлено, что оптимальная шероховатость предварительной обработки отверстий, обеспечивающая последующую качественную обработку отверстия, может быть получена инструментом с главным углом в плане равным 6°.

6. Установлено, что форма уплотняющей ленточки комбинированного инструмента должна быть максимально приближена к радиусной.

Радиус деформирующего элемента определят степень упрочнения и качество поверхностного слоя.

Найдены аппроксимирующие зависимости расчета основного параметра комбинированной обработки — натяга от толщины стенки детали.

7. На основе теоретического исследования контактного давления установлено, что в процессе комбинированной обработки все факторы повышающие контактное давление способствуют снижению шероховатости поверхностного слоя.

В. Экспериментально установлено, что подача при комбинированной обработке является определяющим фактором качества обработки.

Высота неровностей прямо пропорциональна величине подачи во второй степени.

9. Установлено, что при комбинированной обработке отверстий скорость обработки не оказывает существенного влияния на качество поверхностного слоя, но является лимитирующим фактором теплообразования.

10. Разработаны рекомендации по определению конструктивных параметров комбинированного инструмента:

— номинальный диаметр комбинированной развертки должен учитывать зону внеконтактной деформации;

— технические требования на номинальный диаметр комбинированного инструмента для обработки отверстий должны учитывать износ инструмента и допуск на обрабатываемы размер;

— угол наклона винтовых зубьев развертки составляет 60−70° и обеспечивает требуемую шероховатость обработки;

— число зубьев комбинированного режуще-деформирующего инструмента определяется с учетом длины волны внеконтактной деформации.

Распределение припуска под деформирование на каждый зуб в осевом сечении может явиться предметом самостоятельного исследования.

11. Практическое использование результатов выполненных исследований нашло свое отражение в следующем:

— разработана цельная комбинированная развертка с уплотняющими ленточками;

— разработана сборная конструкция комбинированного инструмента для обработки отверстий;

— разработан вспомогательный инструмент для обеспечения минимального биения в процессе комбинированной обработки.

12. Внедрение результатов работы в рамках изделий одного завода позволило получить экономический эффект в сумме 750 тыс. тенге.

Научная новизна представленной работы заключается в комплексном подходе к обеспечению требуемого качества обработки отверстий и складывается из следующих компонентов: нового комбинированного процесса обработки отверстий, отличающегося эффективным и энергосберегающим характером формообразования и предпочтительностью его применения в современных условиях производства;

— варианта формализованной модели процесса, в котором определяющим фактором является высота микронеровностей и глубина упрочненного слоя;

— закономерностей, связывающих качество обрабатываемой поверхности с конструктивными параметрами инструментов и многообразием условий комбинированной обработки;

— закономерностей, определяющих зависимость характеристик процесса от толщины стенки обрабатываемой детали;

— экспериментально обоснованных рекомендаций по проектированию и рациональной эксплуатации комбинированных инструментов для обработки отверстий цилиндров гидроаппаратуры.

Разработка теоретических положений и создание на их основе нового процесса обработки отверстий с прогнозируемыми свойствами стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение ряда новых задач поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям теорий резания, упругости, пластического деформирования и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, теоретическая механика, теория оптимизации и планирование эксперимента.

Разработанные теоретические положения и новые технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на базе АО ПЗТМ. Результаты эксперимента и испытаний анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

Разработанные в диссертационной работе новые методы проектирования инструмента с использованием автоматизированной системы проектирования КОМПАС, позволяют повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых конструкций инструментов.

Разработанные конструкции комбинированных инструментов позволяют получать детали с высокими эксплуатационными характеристиками.

Основные положения и результаты изложены и обсуждены на II Республиканской научно-технической конференции «Научно-технический прогресс: управление качеством, энергои ресурсосбережение на пороге XXI века» (Усть-Каменогорск, 2001 год) — научно-практическом семинаре «Развитие высоких технологий в машиностроении» (Петропавловск, 2003 год), на Ш международном форуме «Информатизация образования Казахстана и стран СНГ» (Алматы, 2004 год), на международной конференции «Байконуровские чтения — IV» (Жесказган, 2004 год).