Влияние способов совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием на шероховатость поверхности

УДК 621.9

Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова

ВЛИЯНИЕ СПОСОБОВ СОВМЕЩЕННОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ И МАГНИТНО-ДИНАМИЧЕСКИМ НАКАТЫВАНИЕМ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

UDC 621.9

D. M. Svirepa, A. S. Siamionava

INFLUENCE OF PROCESSING METHODS COMBINING METAL CUTTING AND MAGNETO-DYNAMIC ROLLING ON THE SURFACE ROUGHNES

Аннотация

Способы совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным и осевым расположением магнитной системы могут быть реализованы на различном технологическом оборудовании и обладают рядом особенностей и преимуществ. Проведены исследования влияния режимов совмещенной обработки на шероховатость обрабатываемой поверхности и выявлены их оптимальные значения.

Ключевые слова:

совмещенная обработка, шероховатость, упрочнение, накатывание.

Abstract

Methods of combined processing by metal cutting and magneto-dynamic rolling with a radial and axial position of the magnetic system can be implemented with various manufacturing equipment and have a number of features and advantages. In the course of experimental research, dependences of the influence of cutting conditions on the surface roughness were obtained and their optimal values were found.

Keywords:

combined processing, roughness, hardening, roll forming.

Введение

Способы поверхностно-пластического деформирования имеют широкие технологические возможности, позволяют обрабатывать детали различной формы и размеров, снижают шероховатость, улучшают качество и эксплуатационные характеристики, такие как износостойкость, прочность, сопротивление усталости, благодаря созданию равновесной структуры в поверхностном слое обрабатываемой детали, а также минимизируют вероятность появления структурных дефектов, что имеет большую значимость в производстве [1-9]. Однако внедрение данной обработки в

© Свирепа Д. М., Семёнова А. С., 2019

производство требует введения дополнительной технологической операции в технологический процесс, что приводит к возрастанию основного времени на изготовление, наличию дополнительного оборудования на участке, а следовательно, к увеличению конечной стоимости детали.

Способы отделочно-упрочняю-щей обработки магнитно-динамическим накатыванием также зачастую требуют введения в технологический процесс дополнительной операции, что не решает имеющейся проблемы, однако отсутствует необходимость в наличии специального оборудования и эти способы могут быть реализованы на уни-

версальном оборудовании. Конструкция инструмента для осуществления данных способов обработки достаточно проста, а качественные характеристики обработанной поверхности весьма высоки [10-16].

Растачивание является одним из самых распространенных и универсальных способов обработки внутренних цилиндрических поверхностей различных размеров. При растачивании достигается 7-8 квалитет точности и шероховатость поверхности Яа 1,6...3,2 мкм. Применение расточных блоков позволяет осуществлять быструю регулировку инструмента на требуемый размер, тем самым повышая эффективность процесса. Однако растачивание как финишная операция технологического процесса не обеспечивает достижения более низкой шероховатости, упрочнения поверхностного слоя и других качественных характеристик.

Таким образом, совмещение операций магнитно-динамического накатывания и растачивания позволит снизить затраты времени, повысить производительность процесса, а также улучшить качественные характеристики поверхности, влияющие на эксплуатационные характеристики изделия.

В Белорусско-Российском университете ведутся исследования по совмещению двух видов обработки, таких как шлифование и магнитно-динамическое накатывание (МДН), хонингование и МДН, развертывание и МДН. Одним из направлений является обработка совмещенным инструментом, выполняющим растачивание и магнитно-динамическое упрочнение за один рабочий ход инструмента [17-19].

Способ совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим

накатыванием с радиальным расположением магнитной системы

Способ совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим на-

катыванием с радиальной намагниченностью предназначен для обработки внутренних цилиндрических отверстий диаметром от 40 мм и выше. Он совмещает две операции технологического процесса: расточную и отделочно-упроч-няющую. На расточную оправку устанавливают резец, а следом за ним соос-но магнитно-динамический накатник (МДН). Оправка 8 фиксируется в патроне станка токарной группы с дополнительным приводом, а заготовка 9 зажимается в патроне станка. Глубина резания £ = 0,1.0,5 мм определяется припуском на обработку при чистовом растачивании расточным резцом 1 с твердосплавными режущими пластинами, предварительно подведенным к внутренней стенке отверстия обрабатываемой заготовки. Инструменту сообщают вращательное движение от дополнительного привода со скоростью вращения от 350 до 500 м/мин и осевую подачу 5 = 0,02.0,16 мм/об; 22,4.256 мм/мин. С целью интенсификации процесса модифицирования поверхностного слоя заготовки и увеличения стойкости расточной секции инструмента обрабатываемой заготовке может быть сообщена дополнительная скорость вращения в направлении, совпадающем с вращением инструмента, что уменьшает относительную скорость движения резца относительно заготовки. При этом скорость растачивания равняется разности скоростей вращения инструмента и заготовки и может быть снижена до 200.250 м/мин, а скорость вращения накатного модуля возрасти до 500.1000 м/мин.

На рис. 1 схематично представлен инструмент для осуществления способа совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы.

Образуемая стружка в процессе растачивания сходит по передней поверхности режущей пластины и удерживается под действием магнитных сил дополнительного источника магнитного поля 2.

2 3 4

Рис. 1. Схема совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы

Зачистной блок 3, состоящий из металлической щетки и фетровой втулки, способствует дополнительной очистке и созданию масляного слоя поверхности перед магнитно-динамическим упрочнением. Постоянные цилиндрические магниты 4 (остаточной магнитной индукцией 0,8...1,2 Тл), ради-

ально установленные в обойме 5, которая размещена между двумя дисками 6, воздействуют на деформирующие шары 7, свободно располагающиеся в кольцевой камере. Количество источников магнитного поля принимается в зависимости от обрабатываемого диаметра заготовки и представлено в табл. 1.

Табл. 1. Рекомендуемое количество источников магнитного поля в зависимости от диаметра обрабатываемой заготовки

Диаметр внутренней цилиндрической поверхности обрабатываемой заготовки Диаметр обоймы Количество источников магнитного поля

40.60 24.36 4.6

60.70 36.46 6.8

70.80 46.56 8.12

80.90 56.66 12.16

90.100 66.76 16.18

При вращении инструмента деформирующие шары 7 под действием магнитной силы Ем разгоняются в кольцевой камере до момента, пока центробежная сила не превысит магнитную, после чего они начинают совершать комбинированное движение: окружное - вдоль кольцевой камеры Ег и колебательное - в направлении обрабатываемой заготовки Еу, что обес-

Способ совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим

накатыванием с осевым расположением магнитной системы

Способ совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы аналогичен способу, описанному ранее. Отличия заключаются в особенностях конструкции магнитной системы, влияющих на поведение деформирующих шаров, и наличии дополнительного ряда шаров-ударников. Схема совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевой намагниченностью приведена на рис. 2.

Источники магнитного поля в виде постоянных цилиндрических магнитов 6 располагаются в обойме-диске 7 так, что оси магнитов параллельны главной оси инструмента. При вращении инструмента шары-ударники 5 под действием центробежной и магнитной сил разгоняются в кольцевой камере и

печивает периодическое воздействие деформирующих шаров на поверхность заготовки, модифицируя ее поверхностный слой.

Особенности и преимущества способа совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы сведены в табл. 2.

попеременно воздействуют на деформирующие шары 4. В свою очередь деформирующие шары 4, получая ударное воздействие со стороны шаров-ударников 5 и под действием центробежной силы, наносят удары по обрабатываемой поверхности, осуществляя ее магнитно-динамическое накатывание. Обойму-диск 7 изготавливают из не-магнитопроводного материала для концентрированного воздействия магнитной силы, минимизируя рассеивание магнитного поля.

Конструкция магнитной системы с осевой намагниченностью и дополнительным рядом шаров позволяет снизить скорость вращения инструмента до 180.300 м/мин. Представленный способ обработки внутренних поверхностей реализуется на станках фрезерной и сверлильной групп.

Важным конструктивным элементом комбинированных магнитно-динамических накатников является магнитная система. Количество и расположение источников магнитного поля опре-

Табл. 2. Особенности и преимущества способа совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы

Особенность способа Преимущество

Выполнение двух технологических операций за один рабочий ход Повышение производительности и снижение себестоимости детали

Радиальное расположение источников магнитного поля Повышенная динамика деформирующих шаров при малых осевых размерах инструмента

Один ряд деформирующих шаров Простота конструкции инструмента

Наличие дополнительного источника магнитного поля Способствует отводу стружки от зоны деформирования, а также предварительному разогреву заготовки

деляют силовые характеристики обра- чества источников магнитного поля в

ботки, а следовательно, и качественные зависимости от диаметра обрабатывае-

характеристики обрабатываемых заго- мой заготовки представлены в табл. 3. товок. Рекомендации по подбору коли-

и

Рис. 2. Схема совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевой намагниченностью

Табл. 3. Рекомендуемое количество источников магнитного поля в зависимости от диаметра обрабатываемой заготовки

Диаметр внутренней цилиндрической поверхности обрабатываемой заготовки Диаметр обоймы Количество источников магнитного поля

40.50 32.42 4.6

50.60 42.52 6.10

60.70 52.62 10.12

70.80 62.72 12.16

80.90 72.82 16.18

90.100 82.92 18.22

Как видно из табл. 1 и 3, при раз- ской поверхности обрабатываемой заго-

ных схемах обработки для одного и того товки требуемое количество источников

же диаметра внутренней цилиндриче- магнитного поля может отличаться.

Особенности и преимущества способа совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатывани-

Исследование шероховатости обработанной поверхности

Шероховатость рабочей поверхности детали является важнейшей характеристикой, определяющей качество поверхностного слоя. В связи с этим исследование шероховатости поверхности детали после совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием представляет большой интерес.

Измерение шероховатости поверхности образцов осуществляли на профи-лометре-профилографе модели 81-210.

Совмещенную отделочно-упроч-няющую обработку осуществляли на вертикально-фрезерном станке модели ВФ-130. Обработка производилась инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы (в соответствии со схемой рис. 1, без вращения заготовки) и инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы (в соответствии со схемой рис. 2).

Характеристики обрабатываемых заготовок: размеры (Б х 1 х /) -120 х 100 х 50 мм; материал - сталь 20

ем с осевым расположением магнитной системы сведены в табл. 4.

резанием

(180.200 НВ); отверстия заготовок предварительно растачивали в размер 0100Н9; исходная шероховатость поверхности отверстия после получистового растачивания составила Яа 10,4.11,7 мкм.

Характеристики инструментов: деформирующие шары диаметром 10 мм из ШХ 15 твердостью 62.65 НЯС; количество деформирующих шаров в инструменте (в соответствии со схемой рис. 1) - 27, в инструменте (в соответствии со схемой рис. 2) шаров-ударников диаметром 10 мм - 22, деформирующих шаров диаметром 6 мм - 46; материал цилиндрических постоянных магнитов -Кё-Бе-Б; размеры цилиндрических постоянных магнитов (Б х I) - 8 х 10 мм; количество магнитов - 18 (см. рис. 1) и 22 (см. рис. 2); индукция магнитного поля в зоне расположения деформирующих шаров В = 0,12 Тл.

Режимы совмещенной обработки: окружная скорость инструмента составляет 251.703 м/мин (частота вращения 800.2240 мин-1); осевая подача инструмента Б = 20 мм/мин (рис. 3), 5 = 100 мм/мин (рис. 4); количество рабочих ходов инструмента - 1; смазочно-охлаждающая жидкость - масло индустриальное 45.

Результаты исследований зависи-

Табл. 4. Особенности и преимущества способа совмещенной обработки и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы

Особенность способа Преимущество

Выполнение двух технологических операций за один рабочий ход Повышение производительности и снижение себестоимости детали

Осевое расположение источников магнитного поля Снижение рабочей скорости вращения инструмента за счет отсутствия необходимости превышения центробежной силы над магнитной составляющей

Дополнительный ряд деформирующих шаров Повышенная динамика деформирующих шаров за счет использования двухрядной конструкции шаров-ударников и деформирующих шаров

Наличие дополнительного источника магнитного поля Способствует отводу стружки от зоны деформирования, а также предварительному разогреву заготовки

мости параметра шероховатости Яа внутренней поверхности цилиндрических заготовок после совмещенной обработки резанием и магнитно-динами-

ческим накатыванием от скорости вращения (частоты вращения) инструмента представлены на рис. 3 и 4.

15

На

0,5

Л

1

\ А 2

л -----

500

1000

1500 п -

2000

мин

2500

157

ЗК

471 V ——

628

мин

785

Рис. 3. Зависимость шероховатости поверхности от частоты вращения инструмента (5 = 20 мм/мин):

1 - обработка инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы; 2 - обработка инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы

1.5

0,5

500

1 2 /

*

о --

1000

1500 п ——

2000

мин

2500

157

314

471

628 м/мин 785

К

Рис. 4. Зависимость шероховатости поверхности от частоты вращения инструмента (5 = 100 мм/мин):

1 - обработка инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы; 2 - обработка инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы

Проведенный анализ экспериментальных исследований показывает, что шероховатость обработанной поверхности зависит от скорости обработки и величины подачи.

Установлено, что в результате совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием при значении осевой подачи 20 мм/мин происходит снижение шероховатости с величины Яа 10,4.10,7 мкм до величины 0,2.1,7 мкм - при обработке инструментом с радиальным расположением магнитной системы и до Яа 0,26..0,8 мкм - с осевым. При значении осевой подачи 100 мм/мин происходит снижение шероховатости с величины Яа 10,4.10,7 мкм до величины 1,2.1,8 мкм - при обработке инструментом с радиальным расположением магнитной системы и до Яа 0,8.1,5 мкм - с осевым. При этом оптимальной частотой вращения

инструмента для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы с целью достижения минимальной шероховатости является значение 1750 мин-1, а для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы - 2240 мин-1.

Результаты исследований зависимости параметра шероховатости Яа внутренней поверхности цилиндрических заготовок после совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием от минутной подачи инструмента представлены на рис. 5.

Условия эксперимента соответствуют приведенным ранее; частоты вращения инструментов составляют 1600 мин-1.

3

мкм

2.5

2

1.5

/?о 1

0.5

О

/ \ 2

\ \ )

0

50

100

150 мм/мин 200

у

Рис. 5. Зависимость шероховатости поверхности от величины подачи инструмента: 1 - обработка

инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы; 2 - обработка инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы

Анализ результатов исследования показал, что в диапазоне подач от 20 до 200 мм/мин при обработке инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальным расположением магнитной системы имеет место снижение шероховатости поверхности по параметру Яа от 0,26 до 2,6 мкм, а при обработке инструментом для совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевым расположением магнитной системы -Яа от 0,2 до 2,1 мкм. Это обусловлено тем, что при увеличении подачи уменьшается интенсивность снижения шероховатости расточным модулем инструментов, а также число ударов, наносимых деформирующими шарами по поверхности обрабатываемой заготовки, и усилия динамического воздействия на поверхность детали со стороны деформирующих шаров становится недостаточным для полного смятия микронеровностей после растачивания.

Заключение

Разработан способ совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с радиальной намагниченностью, предназначенный для обработки внутренних цилиндрических отверстий диаметром от 40 мм и выше. Он совмещает две операции технологического процесса: расточную и отделочно-упрочняющую и обеспечивает снижение шероховатости обрабатываемой поверхности с величины Яа 10,4.10,7 мкм до Яа 0,26.0,8 мкм.

Разработан способ совмещенной обработки резанием и магнитно-динамическим накатыванием с осевой намагниченностью, предназначенный для обработки внутренних цилиндрических отверстий и снабженный двумя рядами шаров. Он обеспечивает снижение шероховатости обрабатываемой поверхности с величины Яа 10,4.10,7 мкм до Яа 0,2.1,7 мкм.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Довгалев, А. М. Классификация инструментов для магнитно-динамического упрочнения / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2008. - № 2. - С. 30-38.

2. Способ магнитно-динамического упрочнения внутренней поверхности круглого отверстия в металлической детали: пат. BY 17976 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа. - Опубл. 28.02.2014.

3. Довгалев, А. М. Математическое моделирование процесса магнитно-динамического раскатывания / А. М. Довгалев, И. И. Маковецкий, Д. М. Свирепа // Вестн. Брест. гос. техн. ун-та. - 2010. -№ 4 (64). - С. 26-30.

4. Высокопроизводительное магнитно-динамическое упрочнение внутренней поверхности цилиндров / Д. М. Свирепа, А. М. Довгалёв, А. С. Семёнова, О. Н. Юхновец // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2015. - С. 51.

5. Математическое моделирование магнитно-динамического инструмента для упрочняющей обработки плоских поверхностей / А. М. Довгалев, Н. А. Леванович, С. А. Сухоцкий, Д. М. Свирепа // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 55-65.

6. Довгалев, А. М. Технология магнитно-динамического раскатывания и ее реализация в машиностроении / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2014. - С. 10-15.

7. Двухрядные магнитно-динамические инструменты / А. М. Довгалев, С. А. Сухоцкий, Д. М. Свирепа, Д. М Рыжанков // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2009. - № 2 (37). - С. 12-20.

8. Довгалев, А.М. Влияние технологических и конструктивных параметров процесса магнитно-динамического раскатывания на шероховатость поверхности / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа // Вестн. Брест. гос. техн. ун-та. - 2014. - № 4. - С. 21-25.

9. Магнитно-динамические инструменты для упрочнения наружных поверхностей вращения / А. М. Довгалев, С. А. Сухоцкий, Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков // Вестн. БГСХА. - 2009. - № 4. -С. 174-178.

10. Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки: пат. BY 11536 / А. М. Довгалев, Д. М. Рыжанков, Д. М. Свирепа. - Опубл. 28.02.2009.

11. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки: пат. BY 10065 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков. - Опубл. 30.12.2007.

12. Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки: пат. BY 10188 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков. - Опубл. 28.02.2008.

13. Инструмент для отделочно-упрочняющей обработки цилиндрического отверстия детали: пат. BY 19139 / А. М. Довгалев, С. А. Сухоцкий, Д. М. Свирепа. - Опубл. 30.04.2015.

14. Инструмент для поверхностного пластического деформирования отверстия детали: пат. BY 18083 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, С. А. Сухоцкий, Д. М. Рыжанков. - Опубл. 30.04.2014.

15. Упрочняющий инструмент: пат. BY 15364 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, Д. М. Рыжанков, С. А. Сухоцкий. - Опубл. 28.02.2012.

16. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки: пат. BY 15021 / А. М. Довгалев, Д. М. Свирепа, С. А. Сухоцкий, Д. М. Рыжанков. - Опубл. 30.10.2011.

17. Свирепа, Д. М. Конструкции инструментов для совмещенной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием магнитно-динамическими раскатниками / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова, С. А. Сухоцкий // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2019. - № 1. - С. 38-47.

18. Свирепа, Д. М. Совмещенная обработка резанием и магнитно-динамическим накатыванием / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2017. - С. 48-49.

19. Свирепа, Д. М. Особенности конструирования комбинированного магнитно-динамического раскатника / Д. М. Свирепа, А. С. Семёнова // Образование, наука и производство в XXI веке: современные тенденции развития: материалы Юбилейной междунар. конф. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2016. -С. 132.

Статья сдана в редакцию 20 марта 2019 года

Дмитрий Михайлович Свирепа, канд. техн. наук, Белорусско-Российский университет. E-mail: svdima@tut.by.

Анна Сергеевна Семёнова, аспирант, Белорусско-Российский университет. E-mail: ann_li93@mail.ru.

Dzmitry Mikhailovich Svirepa, PhD (Engineering), Belarusian-Russian University. E-mail: svdima@tut.by. Hanna Sergeevna Siamionava, PhD student, Belarusian-Russian University. E-mail: ann_li93@mail.ru.