Формирование макрорельефа плоских поверхностей вращения на полировальном круге

УДК 621.923.5 и. и. КОШУКОВ

Омский государственный технический университет

ФОРМИРОВАНИЕ МАКРОРЕЛЬЕФА ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВРАЩЕНИЯ НА ПОЛИРОВАЛЬНОМ КРУГЕ

Предметом исследования является технология финишной обработки плоских поверхностей прецизионных деталей топливной аппаратуры. Особое внимание уделено: процессу формирования макрорельефа плоских поверхностей вращения в трёхмерном пространстве; вопросу целенаправленного формирования макрогеометрии сопряженных поверхностей вращения, улучшающей свойства подвижных соединений; условному обозначению макрорельефа плоских поверхностей постоянной гауссовой кривизны в технической документации.

Ключевые слова: полирование, макрогеометрия, макрорельеф, полировальное полотно, стрела прогиба.

Процесс управления формой макрорельефа плоских поверхностей вращения относится к области машиностроения и используется в технологических процессах абразивной доводки, например, плоских поверхностей прецизионных деталей плунжерных насосов, агрегатов топливной аппаратуры и в производстве микрошлифов металлографического анализа. Управлять формой макрорельефа в процессе полирования означает реальную возможность придавать обрабатываемой поверхности детали определённую геометрическую форму, обладающую комплексом положительных свойств, таких как технологичность, однородность микрорельефа, удобство контроля геометрических параметров, способность улучшать плотность прилегания сопряжённых поверхностей и обеспечивать устойчивую работу подвижных соединений и т.д.

Макрогеометрия плоских поверхностей, по определению ГОСТа, может иметь волнообразную форму макрорельефа. Контакт подобных поверхностей в парах трения подвижных соединений, происходит по вершинам макронеровностей. Вращение протекает в неустойчивом режиме. В местах концентрации давления смазка выдавливается. Трение «всухую» приводит к схватыванию даже разнородных металлов, после чего наступает катастрофический износ пары трения. Наиболее подходящим «материалом» для оформления пар трения являются поверхности гауссовой кривизны с их уникальными свойствами. Понятие «поверхность гауссовой кривизны» принадлежит дифференциальной геометрии, изучающей геометрические образы в трехмерном пространстве. Аналитическое выражение поверхности имеет вид:

К = 1Ж' R",

где R', R" — радиус кривизны поверхности в нормальных сечениях.

Поверхности гауссовой кривизны относятся к единственному классу поверхностей, которые при наложении одна на другую, сохраняют взаимное расположение всех, принадлежащих им, элементов (нормаль, касательная, точка), а также сохраняют полный контакт без разрывов и складок даже при их относительном перемещении [1]. В механике подобными свойствами обладают сферические поверхности с равными радиусами кривизны (частный случай поверхностей постоянной гауссовой кривизны).

Пары трения, оформленные такого рода поверхностями, сохраняют полный контакт и служат средством герметизации подвижных опор и других подвижных соединений агрегатов топливной аппаратуры.

Эта проблема отвечает требованиям современного производства, поэтому является причиной исследования, которое проводилось на базе существующего процесса полирования плоских поверхностей опорной шайбы плунжерного насоса (рис. 1).

1. Формирование макрорельефа плоских поверхностей вращения. Для выполнения операции полирования плоских поверхностей обычно применяется полировальный круг, представляющий плоский диск, на торце которого закреплено полотно полировальника, выполненное из бумаги, сукна или другого полирующего материала. В процессе обработки, насыщенное абразивом полировальное полотно деформируется, образуя перед острой кромкой детали вспученную волну, которая негативно сказывается на равномерном распределении рабочего давления абразивных зёрен на обрабатываемую поверхность. Попадая под деталь, абразив больше заваливает периферийную часть обрабатываемой поверхности. В этих условиях макрогеометрия полированной поверхности принимает выпуклую, неопределённого вида, форму. Центральная часть поверхности, как правило, остается недополированой, т. е. со следами предыдущей обработки. Повторная обработка обычно не даёт положительных результатов, так как свал (искажение плоской формы) на периферийной части обрабатываемой поверхности ещё больше увеличивается и выходит за пределы допустимой величины отклонения от плоскостности. Возникает неисправимый брак или необходимость повторения финишных операций, которые способствуют увеличению трудоемкости изделий. Для устранения вышеперечисленных недостатков использованы результаты аналогичных исследований прецизионной доводки плоскопараллельных поверхностей [2]. Главным направлением исследовательской работы являлась аксиома абразивной доводки: «обрабатываемая поверхность детали — есть зеркало рабочей поверхности притира». В новой интерпретации: конечный результат прецизионного полирования зависит от состояния исходной формы рабочей поверхности полировальника, особенно на завершающей стадии цикла обработки. Создание «идеальной» исходной формы рабочей поверх-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014

Рис. 2. Схема полирования плоских поверхностей вращения:

1 — деталь, 2 — полировальное полотно, 3 — подложка, R — сфера

о

Рис. 3. Схема контроля макрогеометрии плоских поверхностей вращения:

1 — индикатор, 2 — сферическая поверхность,

3 — колодка, h — стрела прогиба, D — диаметр нормируемого участка отклонения от плоскостности

Рис. 4. Схема правки сферической поверхности подложки полировальника: 1 — подложка, 2 — алмазный круг,

3 — вставка

Рис. 5. Схема формирования макрогеометрии плоских поверхностей вращения:

1 — деталь, 2 — подложка (притир), 3 — полировальное полотно, 4 — хомутик, R, ^, R" — радиусы кривизны сферических поверхностей полировальника

ности полировальника и сохранение ее на протяжении всего цикла полирования становится первоочередной задачей технологического процесса.

Опытный образец полировальника представлен в схеме технологической наладки (рис. 2), где рабочая поверхность диска, именуемая подложкой полировальника, выполнена в форме выпуклой сферической поверхности. Радиус кривизны сферической поверхности, сравнимый с бесконечно большой величиной, соответствует максимально-допустимому отклонению от плоскостности на нормируемом участке обрабатываемой поверхности. Контроль формы и радиуса кривизны сферической поверхности осуществлялся глубиномером (рис. 3), оснащенным индикатором часового типа, путем замера стрелы прогиба. Диаметр колодки глубиномера соответствовал диаметру нормируемого участка. Прибор настраивался «на нуль» по эталонной стеклянной пластине. Отклонение стрелки индикатора от нулевой отметки указывало на величину отклонения от плоскостности контролируемой поверхности. Сферическая форма полировальника позволяла избавиться от деформации полировального полотна и обеспечивала свободный доступ абразива в любую точку обрабатываемой поверхности. Для формирования сферической поверхности подложки с высокой степенью точности, соизмеримой с точностью обрабатываемой поверхности, применялся классический способ формообразования сферических поверхностей трубчатым инструментом [1] (рис. 4). В данном случае трубчатым инструментом являлся алмазный круг (форма ЧК). В качестве полировального полотна использовалась газетная бумага толщиной 0,05 мм. В процессе полирования набегающая кромка обрабатываемой поверхности возвышалась над поверхностью полировальника, и создавала между ними воздушный клин, через который абразивные зерна проникали к центральной части обрабатываемой поверхности и переводили процесс полирования в режим копирования. При этом сферическая форма подложки, изолированная от внешнего воздействия тонким полировочным полотном, оставалась без изменения на протяжении всего цикла обработки и считалась рабочим профилем полировальника. На основании этого сделано заключение, что процесс полирования проходит в режиме равномерного износа трущихся поверхностей, т.е. в соответствии с математическим законом абразивной доводки, выраженным формулой уравнения (1) [2]:

ДА = f р V T,

где ДА — удельная работа абразивных зерен полировального полотна в расчетной точке контактирующих поверхностей или количество снятого материала с единицы площади обрабатываемой поверхности, f — коэффициент трения, р — удельное давление, V — скорость относительных перемещений детали и полировальника в расчетной точке, Т — длительность контакта.

Согласно анализу кинематической схемы процесса обработки, параметры режима полирования «f, р, V, Т» являются величинами постоянными (Const). Уравнение (1) в этом случае приобретает вид:

ДА

т.е. соответствует формуле математической модели качества [2].

Постоянство параметров режима обработки является признаком равномерного износа трущихся поверхностей и подтверждает, что операция полиро-

вания протекает в русле «идеального» процесса, что макрогеометрия обрабатываемой поверхности приобретает форму сферической поверхности, близкую по кривизне к сферической поверхности подложки, и всегда остаётся в пределах допустимой величины отклонения от плоскостности. Сферическая форма макрорельефа подложки позволила упростить процесс контроля качества обрабатываемой поверхности по критерию плоскостности. Как и в случае с подложкой, контроль сводится к замеру стрелы прогиба «Ь>, которая, по ТУ, должна находиться в пределах допустимой величины отклонения от плоскостности на нормируемом участке. Для получения достоверных результатов измерения производился дублирующий контроль интерференционным способом.

За период испытаний наблюдалось повышение производительности труда в 1,5 раза. Сократилось количество повторных циклов обработки, связанных с исправлением дефектов микро- и макрорельефа обрабатываемых поверхностей, а также уменьшилось вспомогательное время, затраченное на контроль отклонения от плоскостности обрабатываемой поверхности детали, т.к. измерения выполнялись на рабочем месте слесаря простым, не требующим высокой квалификации методом замера стрелы прогиба.

2. Способ целенаправленного формирования макрогеометрии плоских поверхностей вращения. Известно, что устойчивая работа подвижных соединений во многом зависит от свойств сопряженных поверхностей пар трения. Лучшей характеристикой обладают те пары, сопряжённые поверхности которых представляют комплект сферических поверхностей с равными радиусами кривизны и разнополюсной направленностью.

Улучшить свойства сопряжённых поверхностей, оформленных плоскими поверхностями, тоже возможно, но за счёт формирования их макрорельефа в виде сферических поверхностей разнополюсной направленности. Для формирования комплекта плоских сопряжённых поверхностей с выпуклой и вогнутой формой макрорельефа были использованы результаты предыдущих исследований.

Логика рассуждений сводилась к тому, что если вогнутая сферическая форма макрорельефа была получена на выпуклой сферической поверхности полировальника, то, недостающую в комплекте, выпуклую сферическую форму макрорельефа можно получить на вогнутой сфере полировальника. Необходимость формирования двух видов макрорельефа подтолкнула к мысли о создании объединённой конструкции полировальника с двумя видами сферических поверхностей, позволяющих формировать макрорельеф обрабатываемой поверхности той или иной сферической формы с одной наладки. Кроме всего, между двумя экстремальными формами «выпуклость-вогнутость» ожидалось проявление промежуточной — «плоской» формы макрорельефа, которая представляла дополнительный эффект целенаправленного формирования макрорельефа.

Опытная конструкция полировальника изображена на схеме технологической наладки (рис. 5), использованной для полирования плоских торцов опорной шайбы 1. Основными частями полировальника являются подложка 2, полировальное полотно 3 и хомутик 4. Рабочая поверхность подложки имеет торообразную форму, состоящую из пересекающихся сферических поверхностей внутреннего и наружного профиля, центры сферических поверхностей которых совпадают с осью вращения диска подложки. Радиусы кривизны R' и R" одинаковы и соответст-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

с 1

К-' 0 — / к< 0

к Л ? К > 0

1

плоская поверхность постоянной Гаусовой кривизны .

а)

б)

в)

Рис. 7. Схема сопряжения плоских поверхностей вращения постоянной гауссовой кривизны: а) — открытого типа, б) — закрытого типа,

в) — условное обозначение макрогеометрии плоских поверхностей вращения

вутот максимальной величине допустимого отклонения от плоскостности обрабатываемой поверхности детали. Так как радиусы кривизны практически сравнимы с бесконечно большой величиной, то кривизна сферических поверхностей полировальника (из соображений удобства контроля) выражается стрелой прогиба, которая равняется максимальной величине допустимого отклонения от плоскостности. В качестве полировального полотна использована газетная бумага. Надёжное крепление полотна на поверхности диска обеспечивается хомутиком 4.

Проведенный эксперимент выполнялся с применением абразивного материала (алмазная паста АСМ14/10) и СОЖ. В качестве оборудования использовался универсальный торцодоводочный станок мод. ДПТ-2. Полировальник, установленный в нижнем шпинделе станка, получал вращение от главного привода. Обрабатываемая деталь располагалась на поверхности полировальника и, в зависимости от требуемого вида формы макрорельефа, фиксировалась верхним шпинделем в одном из трёх положений (рис. 6):

— ось шпинделя совпадает с центром тяжести «О» дуги «а Ь с»,

— ось смещена к периферии полировальника в сторону точки «Ь»,

— ось смещена к центру полировальника в сторону точки <^».

Первому положению соответствует плоская форма макрорельефа; второму — вогнутая сферическая форма макрорельефа; третьему — выпуклая сферическая форма. В ходе выполнения операции, контроль формы и величина макрорельефа обрабатываемой поверхности осуществляется индикаторным глубиномером. Величина отклонение стрелки индикатора от нулевого положения соответствует стреле прогиба сферической поверхности макрорельефа и указывает на максимальную величину отклонения от плоскостности, а направление отклонения стрелки индикатора от нулевого положения, в ту или иную сторону, указывает на полюс кривизны, т. е. на выпуклую или вогнутую форму макрорельефа.

Эффективность целенаправленного формирования макрогеометрии плоских поверхностей вращения проверялась на операции комплектования сопряжённых поверхностей пар трения плунжерного насоса. При испытании изделия обнаружилась утечка топлива, выходящая за допустимые пределы. Утечка происходила из-за недостаточной плотности контакта в паре трения «плоский золотник — блок цилиндров» и заключалась в том, что операция полирования сопрягаемых поверхностей была выполнена на плоском полировальнике. Как следствие, профиль макрорельефа на обеих поверхностях получился выпуклым. Контакт таких сопряжённых поверхностей происходил по схеме «бугор на бугор». Между контактирующими поверхностями образовался клиновидный просвет, явившийся причиной утечки топлива.

В предложенном варианте операция полирования сопрягаемой поверхности золотника целенаправленно проводилась на вогнутой части полировальника, а блока цилиндров — на выпуклой части. Комплект сопряженных поверхностей состоял теперь из плоских поверхностей, макрогеометрия которых имела форму сферических поверхностей с одинаковой кривизной и разнополюсной направленностью. Величина стрелы прогиба сферических поверхностей находилась на уровне максимально допустимой величины отклонения от плоскостности.

По результатам испытаний плотность контакта сопрягаемых поверхностей улучшилась. Утечки топ-

лива прекратились. Эксперимент подтвердил правильность предлагаемых решений.

В парах трения, оформленных плоскими поверхностями, полного контакта можно добиться путём целенаправленного формирования макрогеометрии сопрягаемых плоских поверхностей в форме сферических поверхностей разнополюсной направленности, не выходя за пределы допустимой величины отклонения от плоскостности (рис. 7а).

Высокая технологичность сферических поверхностей позволяет легко справиться с этой задачей (рис. 8а, рис. 8б). Технология обработки плоских поверхностей вращения, будь то операция шлифования, доводки или полирования, основывается на классическом способе формообразования сферических поверхностей, поэтому любое отклонение от плоскостности приобретает форму сферической поверхности положительной или отрицательной направленности. Размерная величина стрелы прогиба таких поверхностей искусственно смещается в сторону максимального отклонения от плоскостности, не превышая его предельно допустимую величину. Уникальные свойства поверхностей гауссовой кривизны, и сферических поверхностей в частности, можно превратить в конструктивный элемент подвижных соединений, который в чертеже детали выразится стрелой прогиба <^» положительной или отрицательной направленности (рис. 7б, 7в). Величина прогиба <^» в этом случае становится параметром трёхмерного измерения плоских поверхностей вращения.

Вывод. Обрабатываемая поверхность детали вместе со сферической формой макрорельефа автоматически приобретает качества, присущие сферическим поверхностям, которые характеризуются: технологичностью финишных операций, правильной геометрической формой, одинаковой высотой микронеровностей, удобством контроля геометрических параметров и наличием уникальных свойств поверхностей постоянной Гауссовой кривизны (плотное прилегание сопряженных поверхностей, устойчивая работа подвижных соединений и др.).

Целенаправленное формирование макрорельефа плоских поверхностей вращения позволяет влиять на свойства сопрягаемых поверхностей пар трения и на эксплуатационные характеристики подвижных соединений.

Полировальник, представляющий совокупность пересечения выпуклой и вогнутой сферической поверхности, является инструментом управления формой макрорельефа плоских поверхностей вращения.

Предлагается ввести условное обозначение сферической формы макрорельефа плоских поверхностей вращения в стандарт на отклонение формы поверхностей.

Библиографический список

1. Куманин, К. Г. Формообразование сферических поверхностей / К. Г. Куманин. — М. : Оборонгиз, 1962. — 432 с.

2. Кошуков, И. И. Прецизионная доводка плоскопараллельных поверхностей / И. И. Кошуков // Омский научный вестник. — 2013. — № 2 (110). — С. 144—150.

КОШУКОВ Иван Иосифович, инженер-механик. Адрес для переписки: ikoshukov@bk.ru

Статья поступила в редакцию 25.03.2014 г.

© И. И. Кошуков

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (130) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ