Высокие технологии – пути их развития

УДК 621.91

Д-р техн. наук Н. В. Новиков, О. А. Розенберг Институт сверхтвердых материалов НАН Украины, г. Киев

ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ - ПУТИ ИХ РАЗВИТИЯ

Рассмотрены высокие технологии механообработки, которые разработаны в ИСМ НАН Украины. Показаны специально созданные автоматизированные рабочие места для окончательной отработки разрабатываемых высоких технологий.

В институте сверхтвердых материалов НАН Укра -ины в отделе перспективных ресурсосберегающих технологий механообработки инструментами из сверхтвердых материалов разработка высоких технологий осуществляется по следующим направлениям:

- Совершенствование теории и практики процессов холодного пластического деформирования с целью создания новых технологических процессов формирования внутренних фасонных поверхностей, в том числе в глухих отверстиях.

- Развитие методов и схем холодного пластического деформирования металлов и сплавов с целью создания градиентных структур (в том числе наноструктур) в поверхностном слое с целью управления состоянием обработанной поверхности деталей машин.

- Развитие теории зубчатых передач с выпукло-вогнутым профилем зубьев с целью увеличения ресурса работы крупногабаритных (диаметром более 6 метров) зубчатых колес мельниц горнообогатительных комбинатов, разработки технологии и инструмента для нарезания зубчатого профиля.

- Развитие теории контакта взаимно подвижных выпукло-вогнутых сферических объектов, как научная основа создания технологических процессов, оборудования и инструмента для алмазной обработки медицинских имплантатов из сапфира, новых керамических материалов и титановых сплавов медицинского назначения и др.

Исследование и окончательная отработка разрабатываемых высоких технологий осуществляется на специально созданных автоматизированных рабочих местах.

Так, автоматизированное рабочее место «Экспериментальное исследование процесса формирования внутренних шлицевых поверхностей в глухих отверстиях методом холодного пластического деформирования» (рис. 1) предназначено для исследования параметров, в первую очередь, на заполняемость профиля при многоступенчатом редуцировании на профильной оправке внутренних шлицевых поверхностей.

Рабочее место состоит из трех основных частей (рис. 1 а, б):

1. Низкоскоростной гидравлический пресс мод. ИПС (поз. 1), оснащенный регулятором давления

(поз.2), позволяющим плавно регулировать рабочее усилие пресса в пределах от 7,5 кН до 2 МН, и гидравлическим динамометром (поз. 3);

2. Измерительный комплекс, состоящий из персонального компьютера (поз. 4), к которому через стандартный порт USB подключен электронный тензомет-рический усилитель (поз. 5), служащий для усиления и оцифровывания (АЦП) аналогового сигнала, поступающего с тензометрического динамометра (поз. 6). Тен-зометрический динамометр разработан и изготовлен в отделе № 20 и позволяет измерять усилия до 2 МН. Обработка получаемой информации и графическое представление в режиме реального времени осуществляется при помощи специального программного обеспечения.

3. Специальное приспособление для редуцирования внутренних шлицевых поверхностей в глухих отверстиях состоит из основания (поз. 7); обоймы (поз.8), в которой установлено четыре волоки, с возможностью изменения взаимного расположения; направляющая часть (поз.9) и толкатель (поз.10). Направляющая часть, внутренний толкатель и шлицевая оправка (рис. 1, в) спроектированы таким образом, чтобы после завершения процесса редуцирования автоматически происходил сброс детали с оправки. Приспособление разработано в отделе № 20 и изготовлено совместно с ОЭМЗ.

Рабочее место позволяет проводить исследования заполняемости внутреннего шлицевого профиля в зависимости от следующих параметров процесса редуцирования:

- схема деформирования заготовки - на сжатие, растяжение, комбинированная;

- подвижная, неподвижная оправка;

- величина деформации и ее распределение между волоками;

- взаимное расположение волок;

- геометрические параметры, форма (рис. 1, г) и материал заготовок;

- геометрия формообразующей оправки;

- величина силовых нагрузок и характер их распределения.

Примеры внутренних шлицевых поверхностей, изготовленных на рабочем месте, с учетом получен-

© Н. В. Новиков, О. А. Розенберг, 2007

Рис. 1. Автоматизированное рабочее место «Экспериментальное исследование процесса формирования внутренних шлице-вых поверхностей в глухих отверстиях методом холодного пластического деформирования»

ных результатов исследований, представлены на рис. 1, д-ж.

Следующее рабочее место предназначено для исследования процесса протягивания отверстий в крупногабаритных чугунных цилиндрах (рис. 2). Диаметр протягиваемых отверстий 260 мм, длина 450 мм. Допускаемая некруглость обработанной поверхности не более 0,02 мм, непрямолинейность не более 0,03 мм/м.

Целью исследований является: определение схемы протягивания, геометрических параметров режущих и деформирующих элементов, позиционирования базирующих элементов оснастки и направляющих эле-

ментов для получения обработанного отверстия с заданными параметрами точности.

Рабочее место включает в себя следующие элементы:

1. Модернизированный гидравлический пресс мод. 7А7У750 (рис. 2, а), оснащенный гидравлическими динамометрами рабочего и обратного хода. На штоке пресса установлен специальный наконечник для оптимального распределения усилия штока при протягивании, а также для подъема направляющей после завершения процесса обработки.

Рис. 2. Рабочее место предназначено для исследования процесса протягивания отверстий в крупногабаритных чугунных

цилиндрах

2. Приспособление для точного базирования, выставления и жесткого закрепления обрабатываемой заготовки (рис. 2, б), а также для задания направления при движении оправки (рис. 2, в) в процессе протягивания.

3. Комплект режущих и де формирующих элементов (рис. 2, в - выноска), состоящий из:

- направляющего деформирующего элемента;

- режущего элемента со стружкоразделительными выкружками;

- калибрующего режущего элемента;

- деформирующего элемента.

Для размещения стружки перед режущими элементами установлены специальные дистанционные кольца.

Рабочее место позволяет осуществлять режущее, деформирующее или комбинированное протягивание по двум схемам - на сжатие и растяжение, в зависимости от способа базирования и формы заготовки, а также исследовать влияние величины срезаемого припуска и натяга на деформирующем элементе на качество и точность обработанной поверхности. На рис. 2, г показаны детали, предназначенные для протягивания по схеме растяжения.

Полученные на рабочем месте результаты исследований являются основой для разработки технологии и инструмента для высокоточного протягивания крупногабаритных чугунных цилиндров.

Следующее автоматизированное рабочее место (рис. 3) служит для экспериментального исследования силового взаимодействия инструмента и детали в процессах лезвийной обработки (точения, строгания, фрезерования и др.), поверхностного пластического деформирования (алмазного выглаживания, накатывания шариком, роликом), алмазной доводки керамических образцов типа усеченный шар.

Автоматизированное рабочее место может быть оборудовано на практически любом типе металлорежущего оборудования (для токарных, фрезерных, строгальных, сверлильных и пр. работ).

Автоматизированное рабочее место состоит из следующих узлов:

- динамометрического узла 1 для закрепления исследуемого инструмента (испытуемого образца) и получения аналогового сигнала тензодатчиков. Может использоваться универсальный 4-х компонентный динамометр типа УДМ-600, или специальный 2-х ком -понентный, более чувствительный динамометр.

- электронного модуля измерений 2 с выходом на стандартный порт USB для подключения к любому современному ПК, имеющему стандартный порт USB (разработан фирмой «Верба Ltd»). Служит для усиления аналогового сигнала тензодатчиков и его оцифровывания (АЦП) в широком диапазоне изменения исследуемых нагрузок от 2 кГ до 200 т.

- персональный компьютер 3, программное обеспечение для обработки и графического представления получаемой информации в реальном режиме времени. Программное обеспечение также разработано фирмой «Верба Ltd».

Разработанное автоматизированное рабочее место было использовано для измерения составляющих силы резания при точении серого чугуна марки СЧ-20 резцом со сменными пластинами из быстрорежущей стали, прошедшей безводородное ионное азотирование.

Рис. 3. Автоматизированное рабочее место для экспериментального исследования силового взаимодействия инструмента и

детали в процессах лезвийной обработки

На рис. 4, а представлен общий вид пользовательского интерфейса на экране монитора, на рис. 4, б - графическое представление результатов измерений.

Разработанное автоматизированное рабочее место было использовано также для определения диапазонов изменения коэффициента М- = Рг/Ру, то есть отношения касательной к нормальной составляющей силы резания, при алмазной доводке детали типа усеченный шар из А1203-керамики алмазными пастами

различной зернистости (рис. 5, а) и при трении чугунного притира и керамической детали, разделенных слоем основы алмазной пасты (рис. 5, б). Для этого использовали данные экспериментального измерения составляющих силы резания и полученную при помощи математической модели теоретическую зависимость составляющей Рг от коэффициента М = Рг/Ру.

На автоматизированном рабочем месте (рис. 3) были проведены фундаментальные исследования по

б

а

Рис. 4. Общий вид пользовательского интерфейса на экране монитора - а и б - графическое представление результатов

измерений

Рис. 5. Диапазон изменения коэффициента М = Рг/Ру

установлению физико-механических закономерностей формирования прецизионных элементов эндопротезов из биокерамики инструментом из нанопорошков алмаза. Целью этих исследований была разработка технологии прецизионной алмазной обработки сферических элементов эндопротезов из новейших биокерамических материалов, которая обеспечивает шероховатость в пределах 0.01-0.02 мкм и несферичность до 0.5 мкм согласно международного стандарта IS03290 Grade 10.

Разработка технологи прецизионной алмазной обработки сферических элементов осуществлялась по следующим этапам:

- исследование абразивных свойств новых алмазных паст;

- исследование обрабатываемости новых керамических материалов разных производителей;

- разработка кинематической схемы формообразования головки эндопротеза;

Изготовление опытной партии головок эндопроте-зов и их передача для проведения клинических исследований.

В результате проведенной НИР разработана технология прецизионной алмазной обработки сферических элементов эндопротезов суставов из новейших биокерамических материалов, которая обеспечивает шероховатость в пределах 0.01-0.02 мкм и несферичность до 0.5 мкм согласно международному стандарту ISO 3290 Grade 10.

Обработанные по разработанной технологии 10 головок эндопротеза тазобедренного сустава человека прошли опытно-промышленную проверку, 5 из которых были использованы при проведении клинических операций.

В качестве следующего примера рассмотрим формообразование градиентной структуры в поверхност-

ном слое осесимметричных деталей интенсивным пластическим деформированием.

В ИСМ НАН Украины разработаны технологии интенсивного холодного осесимметричного пластического деформирования - деформирующего протягивания отверстий (рис. 6, а) и редуцирования (рис. 6, б). Эти технологии удачно объединяют в себе оригинальное техническое решение создания калиброванных отверстий и обработки наружных поверхностей современными методами обработки металлов давлением с уникальными возможностями управления структурой материала в приповерхностных слоях за счет реализации условий интенсивной сдвиговой деформации.

При деформирующем протягивании осуществляется два вида деформации: объемная деформация растяжения, в результате которой увеличиваются внутренний и наружный диаметры изделия, утоняются стенки; и поверхностная деформация сдвига, охватывающая слой металла у обрабатываемой поверхности отверстия и постепенно затухающая в стенке детали. Последняя есть результат действия силы трения в зоне контакта инструмента с обрабатываемым металлом и проявляется в образовании текстуры. Степень деформации при деформирующем протягивании, которую можно выразить отношением диаметров до и после деформирования, как правило, не превышает 15-20 %. Это уже большие пластические деформации, но в толще стенки детали они не вызывают заметных изменений структуры. В слое металла у обрабатываемой поверхности деформация сдвига может достигать 200400 %, что проявляется в наклоне осей вытянутых зерен текстуры.

В качестве инструментального материала использовался твердый сплав ВК15, обладающий наиболее удачным сочетанием прочности и стойкости против схватывания при обработке конструкционных сталей.

б

а

Рис. 6. Схемы процессов деформирующего протягивания

Образцы для протягивания представляли собой втулки, наружный диаметр которых для армко-железа составлял 48,9 мм и 76,5 мм, а для сталей 35ХГСА -48,9 мм. Начальный внутренний диаметр во всех случаях 32,5 мм. Для обработки деталей использовался набор деформирующих колец с шагом 0,1 мм. Суммарное количество проходов составляло 10-20 в зависимости от условий деформации.

Исследования показывают, что суммарная протяженность областей сдвига составляет до двух миллиметров. Сильно деформированные участки наблюдаются до глубины одного миллиметра. Расположение этих участков и глубина залегания деформационной субструктуры зависят от свойств исходного материала и технологических условий протягивания. На рис. 7 представлена характерная градиентная микроструктура образцов армко-железа, после 20 проходов. Образец, представленный на рис. 7, а, имел толщину стенки 22 мм, а образец, представленный на рис. 7, б, имел начальною толщину стенки 7,2 мм. Как видно, в первом случае существует достаточно заметный слой ре-лаксированной деформационной субструктуры, тогда как во втором случае нерелаксированная деформационная субструктура начинается практически с поверхности образца. В стали 35ХГСА релаксированный слой наблюдается в тонкостенных образцах. Результаты микроструктурного анализа хорошо коррелируют с изменением микротвердости по сечению заготовки. На рис. 8 представлены изменения микротвердости в тонко- и толстостенном образцах армко-железа.

I п ш IV

- ^—£

I п ш

.......

Рис. 7. Микроструктура приповерхностного слоя трубной заготовки железа после протягивания: а - толщина стенки 7,2 мм; б -22 мм

Рис. 8. Зависимость твердости от расстояния до свободной поверхности, в протянутых заготовках железа:

а - толщина стенки 22 мм; б - толщина стенки 7,2 мм

Результаты металлографического анализа показали, что в приповерхностном слое образуется градиентная структура. Пример структуры представлен на рис. 7.

В области релаксированной деформационной субструктуры наблюдается заметное падение твердости материала. Обнаруженные эффекты могут быть связаны либо с особенностями распределения напряжения и деформации в приповерхностном слое, либо с активизации процесса разогрева при протягивание инструмента с толстой стенкой.

Из представленных данных видно, что упрочненная зона во всех материалах имеет протяженность 1,52,5 мм. Приповерхностная релаксация, сопровождающаяся падением твердости, наблюдается только на толстостенных на образцах железа. Отметим, однако, что на стали 35ХГСА эффект разупрочнения приповерхностного слоя обнаружен и на тонкостенной заготовке.

Электронное микроскопические снимки (рис. 9) демонстрируют наличие деформационных нанозерен, имеющих вытянутую форму, размер которых для железа составляет 300 нм, а для стали 35ХГСА 100-200 нм.

а

а

а б

Рис. 9. Электронная микроскопия деформационной субструктуры приповерхностного слоя образца железа, подвергнутого

протягиванию:

а - светлое поле, б - темное поле

Авторы статьи выражают благодарность к.т. н. С. В. Соханю , к.т.н. С.Е. Шейкину , к.т.н. А. Д. Криц-кому , к.т.н. В. В. Возному , инж. В. В. Мельниченко,

инж. С. Ф. Студенцу за разработку и отладку рассмотренных выше автоматизированных рабочих мест.

Одержано 12.06.2007

Розглянуто висок технологи механообробки, як розроблет в 1НМ НАН Украши. Показан спецiально cmeopeHi автоматизованi робочi мiсця для остаточного вiдпрацьовування розроблюваних високих технологш.

High technologies of machining which are developed in ISM of NAS of Ukraine are considered. Specially created automated workplaces for final treatment of developed high technologies are shown.

УДК 620.178.1.002.237

В. И. Кубич, д-р техн. наук Л. И. Ивщенко Национальный технический университет, г. Запорожье

К МЕТОДИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА В ТРИБОСОПРЯЖЕНИИ «ШЕЙКА-ПОКРЫТИЕ-ВКЛАДЫШ» ДВС

Рассмотрена актуальность реализации избирательного переноса в трибосопряжении «шейка-вкладыш » посредством применения медьсодержащего покрытия на поверхности шеек коленчатых валов двигателей. Сформулирована цель исследования, определены решаемые задачи, обозначены пути их решения, для чего обоснована значимость критериев оценки триботехнических характеристик и структурных параметров покрытия в исследуемом трибосопряжении.

Актуальность

Снижение долговечности двигателей после капитального ремонта можно объяснить недостаточной износостойкостью восстановленных шеек коленчатых валов. Средний ресурс указанных деталей составляет (25-30 %) от ресурса новых [1, 2].

Существенное увеличение износостойкости коренных и шатунных шеек коленчатых валов в процессе их восстановления и поддержание установившегося износа в сопряжении с вкладышами в процессе эксплуатации двигателей на наиминимальнейшем уровне позволит значительно повысить ресурс трибосопряже-

ния «шейка-вкладыш». Реализацию данной задачи следует рассматривать как решение проблемы повышения долговечности двигателей при их ремонте.

В процессе эксплуатации шейки коленчатых валов подвергаются различным видам изнашивания. Вследствие этого для увеличения долговечности шеек целесообразно принять такие методы повышения износостойкости, которые позволили бы формировать на поверхности трения антифрикционные покрытия, препятствующие разрушению деталей в результате комплексного воздействия ряда факторов: исходной неравномерности структурных параметров материалов дета-

© В. И. Кубич, Л. И. Ивщенко, 2007

134