Влияние параметров осциллирующего выглаживания на шероховатость упрочненных поверхностей

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОСЦИЛЛИРУЮЩЕГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ УПРОЧНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

© С.А. Зайдес1, Нгуен Ван Хинь2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬЮ работы является исследование влияния основных параметров осциллирующего выглаживания на шероховатость упрочненных поверхностей. МЕТОДЫ. Результаты работы получены на основе выполнения экспериментальных исследований. РЕЗУЛЬТАТЫ. Экспериментальными исследованиями установлено, что шероховатость после осциллирующего выглаживания зависит от параметров обработки: подачи, натяга, частоты вращения заготовки и угла поворота инструмента. ВЫВОДЫ. Шероховатость поверхности после осциллирующего выглаживания уменьшается при понижении подачи инструмента. Увеличение угла наклона рабочего инструмента (по часовой стрелке) приводит к снижению шероховатости поверхности, если подача инструмента направлена справа налево. Скорость деформирования при осциллирующем выглаживании ограничивается 8-9 м/мин. Существует рациональная глубина внедрения инструмента (в нашем случае t = 0,1-0,2 мм), при которой обеспечивается наилучшая шероховатость поверхности.

Ключевые слова: осциллирующее выглаживание, угол наклона инструмента, натяг, подача, частота вращения.

Формат цитирования: Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь. Влияние параметров осциллирующего выглаживания на шероховатость упрочненных поверхностей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 4. С. 22-29. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-22-29

OSCILLATING BURNISHING PARAMETERS EFFECT ON HARDENED SURFACE ROUGHNESS S.A Zaides, Nguyen Van Hinh

Irkutsk National Research Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.

ABSTRACT. The PURPOSE of this work is to study the effect of basic parameters of oscillating burnishing on hardened surface roughness. METHODS. The results of the work are obtained on the basis of experimental studies. RESULTS. Experimental studies have determined that roughness after oscillating burnishing depends on machining parameters: feed, tightness, workpiece rotation speed and tool rotation angle. CONCLUSIONS. Surface roughness after oscillating burnishing reduces when the tool feed is lowered. Clockwise increase of the tool angle reduces surface roughness when the tool feed is directed from right to left. The deformation rate under oscillating burnishing is limited to 8 -9 m/min. There is a rational depth of tool introduction (in our case t = 0.1 -0.2 mm) which provides the best surface roughness. Keywords: oscillating burnishing, tool angle, tightness, feed, rotation speed

For citation: Zaides S.A., Nguyen Van Hinh. Oscillating burnishing parameters effect on hardened surface roughness. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 4, pp. 22-29. (In Russian) DOI: 10.21285/18143520-2017-4-22-29

Введение

Оригинальная статья / Original article УДК 621.787.4

DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-22-29

Для повышения качества поверхностного слоя деталей машин существует ряд методов, одним из них является метод поверхностного пластического деформирования (ППД), при котором происходит тон-

кое пластическое деформирование поверхностного слоя. Эффективным направлением совершенствования методов ППД является применение дополнительных колебательных и осциллирующих движений [1, 2],

1

Зайдес Семен Азикович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиностроительных технологий и материалов, e-mail:zsa@istu.edu

Semen A. Zaides, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mechanical Engineering Technologies and Materials, e-mail: zsa@istu.edu

2Нгуен Ван Хинь, аспирант, e-mail: nguyenvanhinhck@gmail.com Nguyen Van Hinh, Postgraduate, e-mail: nguyenvanhinhck@gmail.com

©

которые позволяют кроме отделочно-упрочняющей обработки формировать регулярный микрорельеф на упрочняющей поверхности. При совершенствовании методов отделочной обработки поверхностей и создании регулярного микрорельефа профессором Ю.Г Шнейдером предложена схема вибрационного обкатывания [3], а профессором М.Е. Поповым разработана технология и инструментальное оснащение осциллирующего ППД [2]. Предложенные методы упрочняющей обработки отличаются кинематикой деформирующего инструмента, который совершает возвратно -поступательное движение вдоль или поперек оси детали. При этом каждая микрозона поверхностного слоя испытывает давление в разных направлениях. Перемена знака напряжений отражена эффектом Ба-ушингера [4] и проявляется в изменении механических свойств упрочняемого материала.

Шероховатость является характеристикой качества поверхности, оказывающей большое влияние на многие эксплуатационные свойства деталей машин: износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность, стабильность посадок, герметичность соединений. Шероховатость поверхности уменьшает площадь фактического касания двух сопрягаемых поверхностей, поэтому в начальный период работы соединения возникают значительные удельные давления, которые ухудшают условия смазки и, как следствие, вызывают более интенсивное изнашивание поверхности. Микронеровности являются очагами концентрации напряжений, поэтому более шероховатые поверхности имеют меньшую усталостную прочность в условиях цикли-

Методика выпол

Схема осциллирующего выглаживания цилиндрических деталей представлена на рис. 1. В качестве рабочего инструмента использована пластина, имеющая скругле-ние на одном из торцов по радиусу г. Эта часть пластины является рабочим элементом, который прижимается к вращающейся

ческой нагрузки [5]. Установлено, что прочность стальных деталей, обработанных резанием, по сравнению с полированными деталями в условиях знакопеременной нагрузки составляет 40-50% [6]. Грубо обработанные поверхности более подвержены коррозии, особенно в атмосферных условиях, так как коррозия наиболее интенсивно протекает на дне микронеровностей и мелких надрезов [3].

От шероховатости поверхности зависит и стабильность неподвижных посадок. При запрессовке детали наблюдается сглаживание микронеровностей, приводящее к уменьшению фактического натяга. В связи с этим уменьшение прочности соединения деталей обнаруживается при более шероховатых поверхностях. Шероховатость и волнистость поверхности существенно влияют на контактную жесткость стыков сопрягаемых деталей. Уменьшая шероховатость и волнистость путем тонкого шлифования, шабрения или тонкой притирки, удается усилить несущую способность соединения за счет увеличения фактической контактной поверхности до 8090% и тем самым повысить контактную жесткость [6, 7].

Предлагаемая технология отделоч-но-упрочняющей обработки осциллирующим выглаживанием является новым процессом поверхностного пластического деформирования, поэтому в настоящее время отсутствует информация о влиянии параметров деформирования на качество поверхностного слоя.

Целью работы является исследование влияния основных параметров осциллирующего выглаживания на шероховатость упрочненных поверхностей.

I экспериментов

обрабатываемой заготовке. Пластина может поворачиваться относительно вертикальной плоскости на некоторый угол а (см. рис. 1), а также совершать осциллирующее вертикальное движение относительно оси заготовки и перемещаться в осевом направлении по направлению подачи S.

Поворот пластины по часовой стрелке обозначен знаком плюс (+), а против часовой стрелки - знаком (-).

Для определения влияния параметров осциллирующего выглаживания (продольная подача, натяг, частота вращения заготовки и угол наклона рабочего инструмента) на шероховатость упрочненных деталей были проведены эксперименты.

Эксперименты выполнены с помощью устройства для создания осциллирующего движения рабочему инструменту (рис. 2). Вращение от мотор-редуктора 1

передается через эксцентрик на подвижную пластину в корпусе 2, которая совершает возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. К этой пластине крепится деформирующий элемент, имеющий возможность поворачиваться относительно вертикальной оси на угол ±а (см. рис. 1). Обрабатываемая заготовка 4 одним концом крепится в трехкулачковом патроне 3, а другим - поджимается задним центром 6. Устройство для осциллирующего упрочнения крепится на суппорте токарного станка вместо резцедержателя.

Рис. 1. Схема процесса осциллирующего выглаживания цилиндрических деталей Fig. 1. Diagram of the cylindrical part oscillating burnishing

Рис. 2. Устройство для осциллирующего выглаживания цилиндрических деталей: 1 - мотор-редуктор; 2 - корпус для закрепления деформирующего инструмента; 3 - трехкулачковый патрон; 4 - обрабатываемая заготовка; 5 - деформирующий инструмент; 6 - задний центр Fig. 2. Device for oscillating burnishing of cylindrical parts: 1 - geared motor; 2 - case for deforming tool fixing; 3 - three-jaw chuck; 4 - machined workpiece; 5 - deforming tool; 6 - back center

Для определения влияния параметров осциллирующего выглаживания на шероховатость упрочненных деталей изготовили цилиндрические образцы из стали 45 диаметром 23 мм (рис. 3). Образец разделен канавками на 6 участков, каждый из которых упрочнен с использованием разных режимов обработки.

Характеристики образца: форма поверхности - цилиндрическая; материал -сталь 45; упругопластический, упрочняю-

щийся. Характеристики индентора: тип -пластина с рабочей поверхностью скругле-ния г = 4 мм; материал - твердый сплав ВК8.

Шероховатость обработанных поверхностей определена на приборе РогтТа^иг1:1200. На каждом участке цилиндрического образца проведены измерения шероховатости в трех местах через 1200 по окружности и вычислены средние арифметические значения Ra и Rz.

Рис. 3. Опытный образец для оценки шероховатости поверхности после осциллирующего

выглаживания

Fig. 3. Prototype for surface roughness assessment after oscillating burnishing Результаты экспериментальных исследований

Влияние подачи инструмента.

Приняты следующие режимы обработки: частота вращения заготовки п = 100 об/мин, натяг t = 0,1 мм, угол наклона инструмента а = О0, пи = 40 дв.ход/мин,

/дв.хода = 30 мм, подача инструмента изменялась от 0,07 до 0,3 мм/об. На рис. 4 показана зависимость параметров шероховатости Ра и Рг от величины подачи инструмента.

Е Е

го~ СИ

<Л

с

-С

га з о СИ

го СИ

о

X

о

£Р О)

3

15

10

0

Е Е

N СИ

с

-С

га з о СИ

N

СИ

О

X

о

£Р О)

3

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Подача S, мм/об / Feed S, mm/rot

Рис. 4. Зависимость параметров шероховатости Ra и Rz от величины подачи рабочего инструмента Fig. 4. Dependence of roughness parameters Ra and Rz on the value of working tool feed

3

2

1

5

0

Результаты опытов показывают, что локальное пластическое деформирование существенно снижает шероховатость поверхности после механической обработки. Так, параметр Ra снижается в 3-6 раза, а Рг - в 2-4 раза. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными известных работ [2, 3, 8]. Чем меньше подача инструмента, тем ниже шероховатость.

Влияние угла наклона рабочего инструмента. Приняты следующие режимы обработки: частота вращения заготовки п = 100 об./мин, натяг t = 0,1 мм, пи = 40 дв.ход/мин, /дв.хода = 30 мм, величина подачи инструмента б = 0,14 мм/об., Угол наклона инструмента от +10° до -10°. На рис. 5. показана зависимость шероховатости упрочненной поверхности от угла наклона рабочего инструмента.

Результаты экспериментального определения зависимости шероховатости от положения инструмента показывают, что увеличение угла наклона инструмента по часовой стрелке приводит к уменьшению шероховатости, если подача инструмента направлена справа налево, и наоборот, если подача инструмента направлена слева

направо, то шероховатость будет резко возрастать из-за разрушения поверхности вследствие перенаклепа. Увеличение угла наклона инструмента в направлении против часовой стрелки быстрее приводит к перенаклепу поверхности, если подача инструмента направлена справа налево, и наоборот, если подача инструмента направлена слева направо, то шероховатость будет снижаться. Полученные результаты качественно согласуются с экспериментальными данными работы [1].

Влияние частоты вращения заготовки. Приняты следующие режимы обработки: подача инструмента б = 0,14 мм/об., натяг t = 0,1 мм, угол наклона инструмента а = О0, пи = 40 дв.ход/мин, /дв.хода = 30 мм, частота вращения заготовки от 50 до 250 об/мин. На рис. 6. показана зависимость шероховатости поверхностного слоя от частоты вращения заготовки.

Достаточно низкая шероховатость получена при невысокой частоте вращения заготовки. При большой скорости деформирования происходит повреждение и разрушение поверхности заготовки (на рис. 6 экстремальное увеличение шероховатости не показано).

I Е

и Е

СП я

л СИ

О <Я

о Ч>

° с

го F

о ГО

х 5

О о со СП

О)

3

4,5

3,5

2,5

1,5

0,5

R^" = 4,06 мкм RUCX = 18,2 мкм

Rz -

Ra -

-10

16

20

8

4

0 5 10

Угол поворота рабочего инструмента a, град / Rotation angle of the working tool a, deg

12

h N

8 on £ ч>

m aj Ü a. S»

ш C3

3 OH

Рис. 5. Зависимость параметров шероховатости Ra и Rz от угла поворота рабочего инструмента Fig. 5. Dependence of roughness parameters Ra and Rz on the working tool pitch angle

0

h <0 8 к

ГО (Я

in ш

л

о. §> ш сз 3 CC

4,5

3,5

2,5

1,5

0,5

КИСХ = 4,06 ßfx = 18,2 мкм мкм 1

Rz /

i X у Ra

Г

20

16

12

8

4

0

<Л

га (Я

S 2

s ^

CP

Ш C3

3 ог

0 50 100 150 200 250

Частота вращения заготовки n, об/мин / Workpiece rotation rates n, rot/min

Рис. 6. Зависимость параметров шероховатости Ra и Rz от частоты вращения заготовки Fig. 6. Dependence of roughness parameters Ra and Rz on the workpiece rotation rate

Влияние величины натяга. Приняты следующие режимы обработки: частота вращения заготовки п = 100 об./мин, угол наклона рабочего инструмента а = О0, пи = 40 дв.ход/мин, /дв.хода = 30 мм, величина подачи инструмента S = 0,14 мм/об., величину натяга изменяли от 0,05 до 0,5 мм. На

рис. 7. показана зависимость шероховатости поверхности от величины натяга.

Установлено, что существует рациональная глубина внедрения инструмента, при которой формируется наименьшая шероховатость поверхности при осциллирующем выглаживании.

го е * Е

л ,

h го

g СИ

ГО (Я

Я ш

л

о. §> ш сз 3 СИ

4,5

3,5

2,5

1,5

0,5

^ИСХ = i,06 мкм

Rz /

\ Ra

N ----

0,1

0,2

0,3

0,4

20

16

12

0,5

Натяг t, мм / Toughtness t, mm

N !=

си !

h N

8 СИ

ГО (Я

Я ш

Л EL §>

ш сз 3 СИ

Рис. 7. Зависимость параметров шероховатости Ra и Rz от величины натяга Fig. 7. Dependence of roughness parameters Ra and Rz on the toughtness value

8

4

0

0

При малой величине обжатия происходит неполное выглаживание неровностей, так как небольшое удельное давление не позволяет полностью деформировать микронеровности поверхности. При большой глубине внедрения инстру-

мента происходит не только рост шероховатости, но и повреждение поверхности образца. При оптимальной величине натяга (1 = 0,15 мм) параметр шероховатости Ra снижается в 6 раз, а Rz - в 4 раза.

Выводы

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить характер влияния основных параметров осциллирующего выглаживания на шероховатость цилиндрических деталей:

1. Шероховатость поверхности после осциллирующего выглаживания уменьшается при понижении подачи инструмента, но при этом происходит снижение производительности процесса.

2. Увеличение угла наклона рабочего инструмента (по часовой стрелке) приводит к снижению шероховатости поверхности, если подача инструмента направлена справа налево, и наоборот, если подача инструмента направлена слева направо, то

будет происходить перенаклеп и повреждение поверхности детали.

3. Скорость деформирования при осциллирующем выглаживании ограничивается 8-9 м/мин (п = 120 об/мин). Повышенные скорости (больше 8-9 м/мин) приводит к увеличению шероховатости или перенаклепу.

4. Существует рациональная глубина внедрения инструмента (в нашем случае 1 = 0,1-0,2 мм), при которой обеспечивается наилучшая шероховатость поверхности. Повышение глубины внедрения инструмента приводит к перенаклепу при осциллирующем выглаживании.

Библиографический список

1. Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь. Оценка качества поверхностного слоя при реверсивном поверхностном пластическом деформировании // Вестник ИрГТУ. 2016. № 6. С. 34-40. 001:10/21285/18143520-2016-6-34-40

2. Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием: монография / под. ред. С.А. Зайдеса. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014. 559 с.

3. Шнейдер Ю.Г. Технология финишной обработки давлением: Справочник. СПб: Политехника, 1988. 414 с.

4. Фридман. Я.Б. Механические свойства материалов: в 2 ч. М.: Машиностроение, 1974. Ч. 1: Де-

формация и разрушение. 472 с.

5. Реслер И., Хардерс Х., Бекер М. Механическое поведение конструкционных материалов. М.: Изд-во Интеллект, Долгопрудный. 2011. 502 с.

6. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М.: Высш. шк., 1974. 206 с.

7. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.

8. Зайдес С.А., Емельянов В.Н., Полов М.Е., Кропоткина Е.Ю., Бубнов А.С. Деформирующая обработка валов. Иркутск. Изд-во ИрГТУ. 2013. 449 с.

References

1. Zaides S.A. Nguyen Van Hinh. Osenka kachestva poverkhnostnovo sloia pri reversivnom poverkhnostnom plasticheskom deformirovaniem [Evaluation of surface layer quality in reversible surface plastic deformation]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 6, pp. 34-40. (In Russian). DOI:10/21285/1814-3520-2016-6-34-40.

2. Zaides S.A. et al. Obrabotka detalei poverkh-nostnym plasticheskim deformirovaniem [Part processing by surface plastic deformation]. Irkutsk, INRTU Publ., 2014, 559 p. (In Russian).

3. Snheider Ya.G., Tekhnologia finishnoi obrabotka davleniem [Technology of part finish machining]. Sankt-Peterburg, Palitexnhik Publ., 1988, 414 p. (In Russian).

4. Fritman Ya. B. Mekhanitreskie cvoistva materialov [Mechanical properties of materials]. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 1974, Part 1: Deformatsiya i razrushenie [Deformation and Destruction]. 472 p. (In Russian).

5. Rexler I., Kharderx Kh., Beker M. Mekhanhitreskoie povedenie konstruksionykh materialov [Mechanical

behavior of structural materials]. Moscow, Intellekt, Dol-goprudnyi Publ., 2011, 502 p. (In Russian).

6. Resetov D.N. Rabotospocobnost i nadezhnost de-talei mashin [Machine-parts performance and reliability]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1974, 206 p.

7. Ryzhov E.V., Xuxlov A.G., Fedorov V.P. Tehnolog-icheskoie obespechenhie ekspluatasionnykh svoistv

Критерии авторства

Зайдес С.А., Нгуен Ван Хинь имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 22.12.2016 г.

detalei mashin [Technological support of operational properties of machine parts]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1979. 176 p.

Authorship criteria

Zaides S.A., Nguyen Van Hinh have equal authors rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 22 December 2016