Влияние режима отделочно-антифрикционной обработки шеек коленчатого вала на параметры шероховатости поверхности

УДК 621.9: 658.5

Доктор техн. наук В.Я. СКОВОРОДИН

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ОТДЕЛОЧНО-АНТИФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА ПАРАМЕТРЫ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ

Одним из перспективных методов повышения качества восстановленных шеек коленчатых валов является комбинированная отделочно - антифрикционная обработка рабочей поверхности [1]. В качестве отделочной операции используется операция алмазного выглаживания. Для обеспечения антифрикционных свойств алмазное выглаживание производится в среде геомодификаторов трения. Применение алмазного выглаживания, как одного из составляющих комбинированного технологического процесса финишной обработки, обеспечивает тепловые режимы, необходимые для получения на рабочей поверхности антифрикционных износостойких плёнок.

При назначении режима отделочно-антифрикционной обработки должны быть выполнены два критерия: обеспечена шероховатость поверхности не выше рекомендуемой в технических требованиях заводов-изготовителей и получена антифрикционная плёнка на рабочей поверхности. И те и другие характеристики зависят от режима обработки. Поэтому решение задачи выбора оптимального режима обработки осуществляется в два этапа. На первом этапе определяется диапазон варьирования параметров обработки, при которых обеспечивается требуемое качество поверхности по параметрам шероховатости. На втором этапе режим обработки оптимизируется по критериям антифрикционных свойств. В настоящей статье рассматриваются исследования на первом этапе.

Цель исследования - влияние режима отделочной антифрикционной обработки на геометрические параметры обработанной поверхности шеек коленчатых валов автотракторных двигателей.

Материалы, методы и объекты исследования. Исследования проводились на примере коленчатого вала 240-1005020 как наиболее типичного представителя валов, используемых в дизельных двигателях тракторов среднего класса. Коленчатые валы изготовлены из стали 45Х ГОСТ-4543-71 и термически обработаны до твёрдости HВ 207255. Твёрдость поверхности коренных и шатунных шеек составляет HRC 53-63.

Исследования проводились на образцах типа «вал» диаметром, соответствующим среднему размеру шеек. Валы-образцы изготавливались из стали 45Х и подвергались термической обработке, аналогичной при изготовлении коленчатых валов. В качестве окончательной обработки применялось шлифование на станке 3423 Харьковского станкостроительного завода.

После шлифования на поверхность вала наносился состав, содержащий геомодификатор ТСК. Далее производилось алмазное выглаживание инструментом с радиусом рабочей части 4 мм. Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO " Surftest SJ-301".

Исследование проводилось методом однофакторных и многофакторных экспериментов. Изменяемыми параметрами технологического процесса отделочно-антифрикционной обработки приняты:

- сила прижатия индентора к детали;

- скорость индентора;

- продольная подача индентора;

- число проходов индентора.

Диапазон изменения факторов выбран на основе практических рекомендаций по применению алмазного выглаживания (Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник, Под ред. А.Н. Резникова. - М.: «Машиностроение», 1977). Значение радиальной силы соответствует условию полного смятия микронеровностей. Величина радиальной силы принята в пределах 60 - 350 Н. Скорость выглаживания по литературным данным оказывает меньшее влияние на качество выглаженной поверхности и находится в диапазоне 100 - 150 м/мин (1,7 - 2,5 м/сек.). Однако в связи с тем, что скорость выглаживания зависит от возможностей оборудования и существенно влияет на температуру в зоне контакта инструмента с деталью (как одного из главных факторов получения антифрикционного покрытия), диапазон скорости выглаживания увеличен и принят в диапазоне 0,5 - 5,4 м/сек.

Рекомендуемая величина подачи составляет 0,05 - 0,08 мм/оборот. В связи с тем что для обработки с целью увеличения площади фактического контакта инструмента с деталью применяется индентор радиусом 4 мм, в исследованиях принят диапазон изменения величины подачи - 0,08 - 0,15 мм/оборот. Число проходов индентора изменялось от одного до четырёх.

Критериями отнесения параметров обработки в область для последующей оптимизации приняты параметры шероховатости.

По ГОСТ 2789-73 [2] с изменениями 2017 года [3] в качестве высотных параметров шероховатости рекомендуется использовать среднеарифметическое отклонение профиля (Ra), наибольшую высоту профиля (Rz) и полную высоту профиля (Rmax). Наибольшая высота профиля (Rz) - сумма высоты наибольшего выступа профиля и глубины наибольшей впадины профиля в пределах базовой длины, полная высота профиля (Rmax) - сумма высоты наибольшего выступа профиля (Rp) и глубины наибольшей впадины профиля (Rv) в пределах длины оценки. При этом предпочтительным параметром является Ra.

Так как в пределах рекомендуемой и применяемой базовой длины 0,25 - 0,8 мм Rz = Rmax используется параметр Rz, для более полной оценки высоты выступов принят параметр Rp .

По данным технической литературы и техническим рекомендациям по восстановлению коленчатых валов, рекомендуемая шероховатость поверхностей шеек вала после обработки шлифованием - Ra не более 0,63 мкм. После финишной обработки (чаще всего полирования алмазной лентой) шероховатость поверхностей шатунных и коренных шеек валов должна соответствовать 9-му классу (Ra =0,16-0,32 мкм и Rz =1-2 мкм.). Некоторые заводы-изготовители в технических условиях указывают требования к чистоте поверхности шеек коленчатых валов Ra<0,2 мкм.

По ГОСТ Р 53444-2009 [4] шероховатость поверхностей коренных и шатунных шеек должна быть не меньше 9-го класса (Ra<0,32 мкм). Предпочтительными значениями в этом диапазоне являются значения Ra=0,2 мкм и Rz= 1,6 мкм.

Эти требования вполне соответствуют равновесной (эксплуатационной) шероховатости. По данным исследований [5], для всех 10 марок исследованных двигателей среднее значение Ra для равновесной шероховатости находится в диапазоне 0,12 - 0,23 мкм, значение Rz в пределах 1,4 - 1,7 мкм, среднее значение высоты наибольшего выступа профиля (Rp) находится в диапазоне 0,32 - 0,62 мкм.

На этом основании область режимов для последующей оптимизации принята из условий обеспечения шероховатости поверхности Ra<0,2 мкм и Rz< 1,7 мкм.

Так как основным фактором, влияющим на шероховатость обработанной поверхности, является сила прижатия индентора, а по критерию обеспечения теплового режима создания антифрикционной плёнки - скорость скольжения индентора, для исследования взаимного влияния этих факторов использован двухфакторный план. Исследование проводилось по центрально-композиционному плану второго порядка.

Результаты исследования. План эксперимента и результаты экспериментов приведены в таблице. Результаты испытаний обработаны в программе STATISTICA.

Функциональные зависимости параметров шероховатости от величины давления индентора (Р) и скорости индентора (V) имеют вид:

Яа = 0,28 - 0,001 Р - 0,0051Г + 2 Р210- 6 + 0,0014 V2 -19 PV10- 6 Яг = 3,02 - 0,01 Р - 0,2 V + 2 Р210- 5 + 0,038 V2 -12 PV10- 5

Таблица 1. План и результаты многофакторного эксперимента

План эксперимента

Сила Р, Н Скорость V, м/сек. Яа Яг Яр

Код Значение Код Значение

-1 60 -1 0,5 0,24 2,44 0,61

+1 300 -1 0,5 0,18 1,91 0,49

-1 60 + 1 4,3 0,25 2,66 0,61

+1 300 + 1 4,3 0,18 2,33 0,52

0 180 -1,414 0,2 0,12 1,60 0,36

-1,414 10 0 2,7 0,24 2,50 0,60

0 180 +1,414 5,4 0,12 1,52 0,37

+1,414 350 0 2,7 0,10 1,18 0,34

0 180 0 2,7 0,15 1,50 0,49

0 180 0 2,7 0,14 1,53 0,45

Оценка адекватности моделей второго порядка, проведенная на основе дисперсионного анализа, показала, что статистически значимые эффекты (уровень значимости меньше 0,05-0,1) имеют линейные члены величины давления. Значимость коэффициентов линейного и квадратичного членов скорости индентора и парного взаимодействия отклоняется (уровень значимости достигает величины 0,7-0,9).

Таким образом, один из факторов - скорость индентора исключается из статистической модели. Это даёт основание использовать для дальнейшего анализа зависимость параметров шероховатости только от силы прижатия индентора. Эти зависимости имеют вид:

2 - 6

Яа=0,27 -0,001Р+1,7Р 10

Яг = 3,06 - 0,012Р + 1,9Р210-5 На рис. 1 показаны зависимости параметров Яа и Яг от величины давления индентора в диапазоне скоростей индентора 0,5 - 5,5 м/сек и при продольной подаче 0,08 мм/оборот.

Как следует из графиков, требуемые характеристики шероховатости поверхности после отделочной антифрикционной обработки по критерию Яа можно получить в диапазоне силы прижатия индентора от 150 до 300 Н, а по критерию Яг - в диапазоне от 150 до 300 Н.

Зона режимов величины прижатия скорости индентора, пригодная для проведения операции отделочной антифрикционной обработки, наглядно представлена на рис. 2. Для всего диапазона скорости скольжения индентора варьирование величины силы прижатия индентора для оптимизации режима по критериям антифрикционных свойств можно принять в диапазоне 150 - 300 Н. В этом случае шероховатость поверхности после обработки будет удовлетворять самым жёстким требованиям и, что самое главное, соответствовать равновесной эксплуатационной шероховатости. Это позволит существенно сократить время приработки.

Давление индентора Н

3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 3 1,4 1,2 1,0

50 100 150 200 250 Давление индентора Н

300

Рис. 1. Зависимость шероховатости поверхности от величины давления индентора в диапазоне скоростей индентора 0,5 - 5,5 м/сек и при продольной подаче 0,08 мм/оборот

о о о 2 ср

о ^

О

1

7 1 ' и 1 / 1

1 1 / 1 V 1

о 1 1

1 1 _ 1 Ра 0,2

1 0,18 .

----- 1 1 1 I 1 1 _ с ! -1 1 \ \ 1 \ 0,16 0,14 _ / / / / / / . , /•

1") , \ , • (7) (

50 100 150 200 250 300 350 Давление индентора, Н

5 -

* 4

ф

о

¡5 3 [

о о

СР

о ^

О 2

1

-1-1-р-о-г-

Р2 1,7

— 1,6 X

1,5 / /

/

/

/ I

50 100 150 200 250 300 Давление индентора, Н

5

4

3

Рис. 2. График уровней параметров шероховатости Яа и Яг в зависимости от величины давления и скорости индентора

Продольная подача индентора считается вторым по значимости фактором, влияющим на шероховатость поверхности после обработки. В литературных источниках приводится формула для определения максимальной величины неровностей, полученная из геометрических соображений при вдавливании шара в плоскость (без учёта упругого восстановления) в виде:

Я тах = Я -,/ Я2 -

где Я - радиус инструмента; Б - продольная подача.

„2

С учётом упругого восстановления я тах = Я -л Я2 - — - И,

V 4

где И - величина упругого восстановления материала вала.

На рис. 3 показаны зависимости параметров шероховатости от продольной подачи индентора.

0,8

0,7

^ 0,6 5

^ 0,5 н о о

га 0,4

ш

о

о 0,3

о.

<и

3 0,2 0,1 0,0

^ Ртах мкм (расчёт) Шероховатость Ра мкм Шероховатость Рр мкм

О'-.

0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 Подача мм/оборот

Рис. 3. Зависимости параметров шероховатости от продольной подачи индентора

Как следует из рис. 3, условие для среднеарифметического отклонения профиля Яа<0,2 мкм обеспечивается в диапазоне продольных подач до 0,15 мм/оборот. Этот диапазон подтверждается и условием Яр<0,6 мкм. Теоретические расчёты согласуются с экспериментальными данными.

Шероховатость поверхности зависит от кратности приложения нагрузки, которая в свою очередь зависит от продольной подачи и числа проходов. На рис. 4 показано изменение параметров шероховатости от числа проходов индентора.

Необходимые требования выполняются за 2 и более проходов. Это объясняется величиной кратности приложения нагрузки к одной и той же поверхности.

Кратность приложения нагрузки определяется по формуле:

К = а / ^, нагр.

где а - величина контакта индентора по длине вала;

£ - продольная подача индентора.

Расчёт величины контакта индентора по длине вала показал, что при давлении индентора радиусом 4 мм силой 250 Н величина контакта индентора по длине вала а =0,3 мм.

Кратность приложения нагрузки зависит от трёх факторов: продольной подачи индентора, числа проходов и силы давления индентора (от величины силы зависит величина контакта индентора по длине вала). На рис. 5 показаны зависимости параметров шероховатости от кратности приложения нагрузки при давлении индентора силой 250 Н.

0,27

2 0,21

£ 0,18 о

0,15 0,12 0,09 0,06

ошибка квадр. откл.

12 3 4 Число проходов

2,6 2 4 2,2 2,0

о о

I-

го ш о

X о

ср ф

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8

~1-1-1-г-

С еднее  С эеднее ст. ошибка I С еднее ср. квадр. откл

0 12 3 Число проходов

Рис. 4. Зависимость среднеарифметического отклонения профиля (Яа) и наибольшей высоты профиля (Яг) от числа проходов индентора при продольной подаче 0,08 мм/ оборот

0

4

0,26

1 0,24 ^ 0,22

2 0,20 £ 0,18 8 0,16

2 0,14 § 0,12 I 0,10

3 0,08 0,06

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Кратность приложения нагрузки

2,4

^ 2,2

^ 2,0 N

* 1,8

£ 1,6 о

Й 1,4

ш

о 12

X ',2

о

со 1 0

ф 1 >и

з 0,8

0,6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Кратность приложения нагрузки

Рис.5. Зависимость среднеарифметического отклонения профиля (Яа) и наибольшей высоты профиля (Яг) от кратности приложения нагрузки при давлении индентора силой

250 Н

Из графиков следует, что необходимые требования к параметрам шероховатости обеспечиваются при кратности приложения нагрузки не менее трёх. Минимальные значения шероховатости обработанная поверхность имеет при кратности приложения нагрузки 10 - 12 раз.

Выводы. Параметры технологического процесса отделочной антифрикционной обработки в среде геомодификаторов трения существенно влияют на качество обработанной поверхности. Исходя из требований технической документации на восстановление коленчатых валов и значений равновесной (эксплуатационной) шероховатости, при отделочной антифрикционной обработке, должна быть обеспечена шероховатость поверхности с параметрами Яа< 0,2 мкм и Яг< 1,7 мкм.

Значения параметров режима отделочной антифрикционной обработки, обеспечивающие требования к шероховатости обработанной поверхности, находятся в следующих пределах:

- сила прижатия индентора к детали - 150 - 300 Н;

- скорость индентора - 0,5 - 5,5 м/сек;

- продольная подача индентора и число проходов индентора из условий обеспечения кратности приложения нагрузки - 3 -12 раз.

Литература

1. Сковородин В.Я., Антипов А.В. Перспективные способы финишной обработки шеек коленчатых валов при ремонте автотракторных двигателей// Научный вклад молодых исследователей в сохранение традиций и развитие АПК: Сборник науч. трудов международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов. - Ч. III. / СПбГАУ. - СПб., 2015. - 155 с.

2. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности: Параметры и характеристики. -M.: «Стандартинформ», 2006. - 7 с.

3. Национальные стандарты: Информационный указатель. -М.: «Стандартинформ», 2017. -№ 7. -29 с.

4. ГОСТ Р 53444-2009 Автомобильные транспортные средства: Валы коленчатые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: «Стандартинформ», 2010. - 8 с.

5. Cкoвoрoдин В.Я., Евсеев А.С., Джамилов М.К. Исследование эксплуатационной шероховатости поверхности шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания: параметры шероховатости, связанные с высотными свойствами профиля // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, 2014. - № 32. - С. 201-208.

Literatura

1. Skovorodin V.YA., Antipov A.V. Perspektivnye sposoby finishnoj obrabotki sheek kolenchatyh valov pri remonte avtotraktornyh dvigatelej// Nauchnyj vklad molodyh issledovatelej v sohranenie tradicij i razvitie APK: Sbornik nauch. trudov mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchyonyh i studentov. - CH. III. / SPbGAU. - SPb., 2015. - 155 s.

2. GOST 2789-73 SHerohovatost' poverhnosti: Parametry i harakteristiki. - M.: «Standartinform», 2006. - 7 s.

3. Nacional'nye standarty: Informacionnyj ukazatel'. - M.: «Standartinform», 2017. - № 7. - S. 29.

4. GOST R 53444-2009 Avtomobil'nye transportnye sredstva: Valy kolenchatye dvigatelej. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya i metody ispytanij. -M.: «Standartinform», 2010. - 8 s.

5. Skovorodin V.YA., Evseev A.S., Dzhamilov M.K. Issledovanie ehkspluatacionnoj sherohovatosti poverhnosti sheek kolenchatyh valov dvigatelej vnutrennego sgoraniya: parametry sherohovatosti, svyazannye s vysotnymi svojstvami profilya // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2014. - № 32. - S. 201-208.