Центробежное обкатывание нежестких валов для достижения минимальной шероховатости и максимальной несущей способности поверхности

УДК 621.787.4

ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ОБКАТЫВАНИЕ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ МИНИМАЛЬНОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ И МАКСИМАЛЬНОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

© Н.В.Вулых1, А.В.Горбунов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлена технология центробежного обкатывания нежестких валов в сопоставлении с традиционными способами поверхностного пластического деформирования - обкатыванием шариком и роликом. Установлены режимы центробежной обработки, позволяющие обкатывать детали с минимальной шероховатостью и максимальной несущей способностью поверхности. Ил. 6. Табл. 3. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: обкатывание; шероховатость; поверхностное пластическое деформирование; несущая способность; поверхность детали.

CENTRIFUGAL ROLLING OF NONRIGID SHAFTS TO ACHIEVE MINIMUM ROUGHNESS AND MAXIMUM SURFACE BEARING CAPACITY N.V. Vulykh, A.V. Gorbunov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper presents a technology of centrifugal rolling of nonrigid shafts as compared with traditional methods of surface plastic deformation i.e. balling and rolling. It specifies the modes of centrifugal processing allowing to roll parts with minimum roughness and maximum surface bearing capacity. 6 figures. 3 tables. 4 sources.

Key words: rolling; roughness; surface plastic deformation; bearing capacity; part surface.

Повышение эксплуатационных характеристик деталей машин, работающих под действием динамических и контактных нагрузок, а также в условиях изнашивания, имеет важное значение для современного машиностроения.

В связи с этим, актуальным является вопрос обеспечения работоспособности деталей машин. Этим вызвано все более широкое применение процессов упрочняющей технологии, одним из которых является поверхностное пластическое деформирование (ППД). При ППД поверхностный слой претерпевает качественные изменения: сглаживаются микронеровности, повышается твердость и прочность, образуются остаточные напряжения сжатия, которые повышают циклическую прочность деталей [1-3]. Одним из недостатков процесса обкатки при обработке маложестких валов является локальное деформирование, которое не дает должного эффекта благодаря большим удельным нагрузкам. В данной работе предлагается устранить этот недостаток процесса путем одновременного деформирующего воздействия на деталь тремя роликами под углом 1200 друг к другу с использованием центробежного обкатника [4]. Была поставлена задача получения обработанной поверхности деталей с минимальной шероховатостью.

Условия эксперимента. Опыты выполняли на то-

карно-винторезном станке 1К62. Образцы, изготовленные из нормализованной стали 35 и имеющие длину (/) 300 мм, диаметр (ф) 16 мм, зажимали в патроне, установленном в пиноль задней бабки станка, и с помощью суппорта задавали им продольное движение с 4-мя разными подачами. Обкатник вращался в трехкулачковом патроне с 4-мя разными частотами (табл. 1). Деформирующим инструментом в обкатнике являлись ролики с радиусом профиля 5 мм (рис. 1).

Образцы имели исходную шероховатость Ра исх, равную 1,25, 2,5 и 5,0 мкм, с углом вершин микронеровностей в поперечном направлении 600. Обработка выполнялась при 4-х различных подачах и 4-х частотах вращения обкатника и позволяла изменять усилие выглаживающего ролика на образец. Корреляционная связь частоты вращения и усилия обкатывания представлена на рис. 2, а значения усилий обкатывания для соответствующих частот вращения обкатника показаны в табл. 1.

Шероховатость поверхности измеряли на профило-графе - профилометре Абрис ПМ-7 по среднему арифметическому отклонению профиля Ра как наиболее стабильному из высотных параметров профиля поверхности и среднему шагу неровностей профиля Бт. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1.

1Вулых Николай Валерьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: 89641146636, e-mail: vulix2011@yandex.ru

Vulykh Nikolai, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machine-Building Technologies and Materials, tel.: 89641146636, e-mail: vulix2011@yandex.ru

2Горбунов Андрей Владимирович, аспирант, тел.: 89501446933, e-mail: korgik12@mail.ru Gorbunov Andrei, Postgraduate, tel.: 89501446933, e-mail: korgik12@mail.ru

Рис. 1. Схема процесса центробежного обкатывания: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - грузы обкатника; 3 - деформирующие ролики; 4 - двуплечий рычаг; 5 - основание центробежного обкатника

Н

Рис. 2. Влияние частоты вращения обкатника на усилие деформирующего ролика

Таблица 1

Результаты проведения эксперимента_

Условия эксперимента, при Ра исх = 5,0 мкм

Б = 0,07 мм/об Б = 0,11 мм/об

Р, Н 400 600 950 1500 400 600 950 1500

п (об/мин) 250 315 400 500 250 315 400 500

Результаты эксперимента

Ra, мкм 0,319 0,269 0,359 0,437 0,320 0,280 0,370 0,430

Sm, мкм 35 55 65 52 36 55 67 53

Б = 0,15 мм/об Б = 0,21 мм/об

п (об/мин) 250 315 400 500 250 315 400 500

Результаты эксперимента

Ra, мкм 0,350 0,320 0,389 0,450 0,385 0,351 0,423 0,495

Sm, мкм 38 59 70 59 42 63 73 61

Условия эксперимента, при Ра исх = 2,5 мкм

Б = 0,07 мм/об Б = 0,11 мм/об

п (об/мин) 250 315 400 500 250 315 400 500

Результаты эксперимента

Ra, мкм 0,305 0,259 0,320 0,345 0,251 0,231 0,273 0,311

Sm, мкм 30 50 62 50 31 51 63 51

Б = 0,15 мм/об Б = 0,21 мм/об

п (об/мин) 250 315 400 500 250 315 400 500

Результаты эксперимента

Ra, мкм 0,331 0,309 0,355 0,385 0,366 0,331 0,405 0,458

Sm, мкм 35 54 66 57 38 57 71 60

Условия эксперимента, при Ра исх = 1,25 мкм

Б = 0,07 мм/об Б = 0,11 мм/об

п (об/мин) 250 315 400 500 250 315 400 500

Результаты эксперимента

Ra, мкм 0,305 0,261 0,334 0,357 0,249 0,232 0,291 0,332

Sm, мкм 25 45 60 49 25 46 62 50

Б = 0,15 мм/об Б = 0,21 мм/об

п (об/мин) 250 315 400 500 250 315 400 500

Результаты эксперимента

Ra, мкм 0,329 0,290 0,363 0,399 0,361 0,320 0,422 0,460

Sm, мкм 29 49 66 54 34 53 69 57

По результатам эксперимента (табл. 1) получены зависимости Яа = /(и), приведенные на рис. 3, и = / (и), приведенные на рис. 4.

то ^

ог ^

0,5

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2

Раисх = 5,0

—е— Э=0,07 мм/об

—в— Э=0,11 мм/об

- Э=0,15 мм/об

—X- Б=0,21 мм/об

200

250

300

350

400

450

500 п, об/мин

то ^ О. и

0,5

0,45

0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

200

250

300

350

400

450

-в—Э=0,07 мм/об -в—Э=0,11 мм/об -д— Э=0,15 мм/об -х—Б=0,21 мм/об

500

п, об/мин

га : О. :

0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2

200

____

Ра исх = 1,25 мкм

-—о

—Л—

250

300

350

400

450

Э=0,07 мм/об

Э=0,11 мм/об

Э=0,15 мм/об

Б=0,21 мм/об

500

п , об/мин

Рис. 3. Влияние частоты вращения обкатника на шероховатость обработанной поверхности детали

70 65 60 55 50 45 40 35 30

Наисх - 5,0 мкм

_о_3=0,07 мм/об

_д_3=0,11 мм/об

л_3=0,15 мм/об

х 3=0,21 мм/об

250

300

350

400

450

500 п, об/мин

Е _

со е

г 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30

?,5 мкм

каисх -

_о_3=0,07 мм/об

_3=0,11 мм/об

д 3=0,15 мм/об _3=0,21 мм/об

250

300

350

400

450

500

п, об/мин

70 65 60 55 50 45 40 35 30 25

Наисх = 1,25 мкм

_о_3=0,07 мм/об

_3=0,11 мм/об

д 3=0,15 мм/об _3=0,21 мм/об

200 250 300 350 400 450 500 °б/МИН

Рис. 4. Влияние частоты вращения обкатника на средний шаг неровностей профиля

Из графиков видно, что изменение РаИСХ с 5,0 до 1,25 мкм существенно не повлияло на параметры обработанной поверхности Ра и Бт. Так, минимальная шероховатость поверхности образуется при частоте вращения п = 315 об/мин и продольной подаче Б = 0,11 мм/об (см. рис. 3). Исключение составляют образцы, имеющие начальную шероховатость РаИСХ = 5,0 мкм, у которых шероховатость обработанной поверхности была практически равнозначной для подач Б = 0,07 и 0,11 мм/об. В крайних значениях частот вращения обкатника были следующие результаты: при частоте вращения п = 250 об/мин визуально наблюдалось недостаточное смятие исходной шероховатости поверхности образца, а при частоте вращения п = 500 об/мин происходило отслаивание поверхностного слоя. Максимальное значение среднего шага неровностей профиля образовывалось при частоте вращения п = 400 об/мин (см. рис. 4). Однако с увеличением подачи Б с 0,07 до 0,21 мм/об величина Бт возрастала на 7-10 мкм, что можно связать с образованием более грубой поверхности обработанного профиля (см. рис. 3). Для наиболее детальной оценки

V /

, ха-

микропрофиля введем коэффициент К =1

/ "а

рактеризующий несущую способность поверхности. В табл. 2 приведены значения вышеуказанного коэффи-

циента для частот вращения обкатника 315 и 400 об/мин, при которых микропрофиль имел минимальную величину шероховатости (см. рис. 3) и максимальную величину среднего шага неровностей (см. рис. 4).

Анализируя значения коэффициента К, видим, что его максимальное значение приходится для подачи Б = 0,11 мм/об и частоты вращения п = 400 об/мин, за исключением микропрофиля с РаИСХ = 5,0 мкм, у которого максимальное значение коэффициента К было при частоте вращения п = 315 об/мин и подаче Б = 0,07 мм/об.

Кроме того, на приборе Абрис ПМ-7 были получены кривые опорной поверхности микропрофиля образцов до и после обработки на центробежном обкат-нике.

В табл. 3 приведены среднестатистические данные распределения опорных линий микронеровностей по уровням ^р, %) при относительном значении их расстояний от линий выступов (Р, %), а отвечающие им зависимости tP = /(р) - представлены на рис. 5.

Схематичное изменение микропрофиля до и после обработки на центробежном обкатнике представлено на рис. 6.

Таблица 2

Величина К =

для наиболее оптимальных частот вращения обкатника

а

Б, мм/об РаИСХ = 1,25 мкм РаИСХ = 2,5 мкм РаИСХ = 5,0 мкм

п = 315 об/мин п = 400 об/мин п = 315 об/мин п = 400 об/мин п = 315 об/мин п = 400 об/мин

0,07 172 194 193 193 204 181

0,11 198 213 221 230 196 182

0,15 169 182 174 186 184 180

0,21 165 163 172 175 179 172

Таблица 3

Расстояние от линии выступов Р, % Уровень микронеровностей tp, %, для:

исходного образца обработанного при п = 250 об/мин обработанного при п = 315 об/мин обработанного при п = 400 об/мин обработанного при п = 500 об/мин

5 0,4 0,41 0,41 0,4 0,35

10 1,4 1,45 1,46 1,45 1,3

15 3,5 3,7 3,8 3,8 3,0

20 6,0 6,5 6,9 7,0 5,5

25 11,0 12,4 12,8 12,8 10,1

30 15,2 15,9 17,0 17,1 15,0

40 23,0 31,3 35,9 36,0 23,5

50 40,7 51,8 62,2 61,7 41,5

60 57,3 73,3 81,5 82,4 58,1

70 75,0 89,9 91,3 93,6 77,3

80 86,9 96,6 97,0 97,6 90,2

90 96,8 99,5 99,5 99,4 98,1

Р, %

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

А- А

/ / /

у

3

tp, %

Рис. 5. Распределение опорных линий микронеровностей по уровням АР, %) при

относительном значении их расстояний от линий выступов (Р, %): 1 - п = 315 и п = 400 об/мин; 2 - п = 250 об/мин; 3 - исходный и при п = 500 об/мин

Р, % 0

100

"Ч

3

Рис. 6. Схема элементов микропрофиля: 1 - исходный; 2 - процесс формоизменения; 3 - окончательный

Как видно из рис. 5, максимальная несущая способность шероховатости поверхности образуется при частотах вращения обкатника от 315 до 400 об/мин. При частоте вращения обкатника п = 250 об/мин несущая способность становится ниже: так, при одинаковом расстоянии от линии выступов (Р, %) значение уровня ^р, %) снижается на 10-13 %. При частоте вращения обкатника п = 500 об/мин вследствие отслаивания поверхностного слоя несущая способность шероховатости поверхности практически равнялась исходной (не обработанной).

Таким образом, оптимальное значение частоты вращения обкатника составляет от 315 до 400 об/мин, а значение подачи - от 0,07 до 0,11 мм/об.

Выводы. Показана технология, позволяющая обрабатывать нежесткие детали, типа тел вращения. Установлены оптимальные режимы отделочно-упрочняющей обработки, позволяющие получать обработанную поверхность с достаточно низкой шероховатостью и высокой несущей способностью.

Библиографический список

1. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхности пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

2. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М.: Машиностроение, 1978. 184 с.

3. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: справочник. М.: Машиностроение, 1987. 328 с.

4. Патент РФ № 96105784, В 24 В 39/04. Устройство для упрочнения поверхности цилиндрических деталей / Зайдес С.А., Журавлев Д.А., Кургузов С.А. Опубл. 27.08.1997.