CC BY
43
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ НАКАТНЫМ ПОЛИРОВАНИЕМ Воробьев Андрей Иванович, бакалавр, (e-mail: [email protected]) Малыхин Виталий Викторович, к.т.н., доцент, (e-mail: [email protected]) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В статье рассматриваются процессы поверхностной пластической деформации, предназначенные для получения высококачественных гладких поверхностей заданного качества накатным полированием. Приводятся границы применения накатного полирования, деформация поверхностного слоя, а также основные преимущества упрочняющего накатывания и экономическая эффективность процессов.
Ключевые слова: накатное полирование, качество поверхности, деформация поверхностного слоя детали, упрочняющее накатывание, технологическая эффективность
В настоящее время в машиностроении и металлообработке находят широкое применение новые комбинированные способы обработки поверхностей деталей машин, позволяющие повысить их качество [1,2,5] . К ним относятся накатное полирование и упрочняющее накатывание. Накатным полированием и упрочняющим накатыванием получают чрезвычайно гладкие поверхности с одновременным созданием наклепа и сжимающих напряжений в поверхностном слое. Внутренние сжимающие напряжения компенсируют внешние напряжения от нагрузки, существенно увеличивая усталостную прочность. Результатом применения таких технологий является не только экономия производственных затрат, но и значительное повышение качества детали.
Накатное полирование — это процесс поверхностной пластической деформации, и предназначен для получения высококачественных гладких поверхностей или поверхностей заданного качества. Один или несколько роликов или шариков пластически деформируют поверхностный слой обрабатываемой поверхности. Данный процесс применим для металлических деталей, когда обычными методами обработки невозможно гарантированно получить высококачественные поверхности или поверхности заданного качества
При накатном полировании, когда сжимающие напряжения в поверхностном слое детали в точке контакта с инструментом превышают предел текучести материала детали, происходит пластическая деформация поверхностного слоя детали. Материал детали в поверхностном слое в этом случае течет, пики микронеровностей опускаются почти нормально к поверхности детали, заполняя впадины микронеровностей (рис. 1). Гладкая поверхность получается именно за счет течения материала в поверхностном
слое, а не за счет сгиба вершин микронеровностей или их сплющивания (широко распространенное, но ошибочное мнение
Накатное полирование можно использовать вместо любого процесса, предназначенного для получения поверхностей высокого качества, такого как: тонкое точение, шлифование, развертывание, хонингование, суперфиниширование, притирание, полирование, шабрение. Данный процесс, как показывает опыт, имеет огромные как технологические, так и экономические преимущества при обработке поверхностей с предварительной шероховатостью Яг <10 мкм [4]. Поверхности после накатного полирования характеризуются уникальной структурой и имеют следующие характеристики:
- низкая (Яг <1 мкм / Яа <0.1 мкм) или заданная шероховатость,
- сглаженный микропрофиль,
- высокий контактный коэффициент,
- низкий коэффициент трения,
- повышенная износостойкость,
- повышенная поверхностная твердость по сравнению с холодной обработкой давлением.
- Данный процесс имеет следующие преимущества:
- малое время обработки,
- применение как на универсальном оборудовании, так и на оборудовании с ЧПУ,
- полная обработка детали за один установ,
- отсутствует съем материала,
- легкая повторяемость,
- можно применять минимальное количество смазки,
- низкий уровень шума,
- большой срок службы инструмента,
- износ инструмента не влияет на размер детали.
Вектор скорости течения материала
Рис.1 Деформация поверхностного слоя
Важнейшим критерием является твердость заготовки. При применении обычных инструментов (в которых усилие на роликах создается механическим способом) граница применения находится на уровне 42-45 ИЯС. Материал более высокой твердости может быть обработан с применением гидростатического «шарикового» инструмента.
Другой предпосылкой является хрупкость (деформируемость) материала. Для количественной оценки служит относительное удлинение при разрыве А4. Здесь не существует абсолютной границы. Эта граница зависит от степени деформации, т. е. от соотношения исходной шероховатости и желаемой конечной шероховатости. Результаты практических исследований приведены в таблице 1.
Таблица 1 Границы применения накатного полирования
Критерки Граничное Степень
значение Описание деформации
Твердость Меньше 42... 45 HRC Механические янструменты с одним или несколькими роли каш 20:1
Больше 42 HRG. Гидростатические 10:1...12:1
меньше 65 HRC и нстр/ме нты <аависит от твердости)
Относительное A4 больше Накатное гюлнровачие
удлинение A4 нпи равно 8% возможно без ограккчешй 20:1
5% о» A4 i= SS Требуются предварительные ИСПЫТАНИЙ 10:1
A4 5% Полумаемая шероховатость не лучше Иг 2 5:1
Исключение:
чугуны Достигаемая шероховатое г ь Рз 3.. .4: нерегулярные впадины 5:1
Для создания дополнительных положительных свойств поверхностного слоя детали используют процесс пластической деформации - упрочняющее накатывание. Этот способ уникален тем, что это единственный процесс, используемый для повышения срока службы детали, комбинирующий в себе три эффекта (рис. 2):
- создание сжимающих напряжений,
- наклеп в поверхностном слое,
- выглаживание поверхности детали, которое удаляет микротрещины.
По сравнению с альтернативными методами (например, упрочнение
дробью, обработка демпфирующим инструментом ) упрочняющее накатывание — это чрезвычайно рентабельный процесс, и его область применения охватывает почти все металлы. Данный процесс можно легко интегрировать в существующую технологическую цепочку, и применять как на универсальном оборудовании, так и на оборудовании с ЧПУ. Упрочняющее накатывание позволяет обрабатывать деталь за один установ, и вы-
полняется непосредственно после общей обработки, что устраняет затраты на переустановку и транспортировку. Данный процесс можно применять всегда, когда целью является повышение усталостной прочности металла или реализация облегченной конструкции детали.
Такая комбинация может повысить усталостную прочность примерно в пять раз, что значительно сказывается на сроке службы детали. Упрочняющее накатывание особенно применимо для деталей, которые подвергаются динамическим нагрузкам во время эксплуатации и могут разрушиться из-за усталости материала детали.
Упрочняющее накатывание можно использовать вместо любого другого процесса, применяемого для повышения усталостной прочности детали, включая механические (например, упрочнение дробью), термические (например, упрочнение лазером) и термохимические (например, азотирование) процессы
Поверхностный наклеп
Сжимающие напряжения
г
* г
Чз
2Ш МКМ 600 Глубина йт Пйнёр'НйСТИ
Замедление роста трещин Повышение усталостной прочности
Увеличение срока службы
н « * « Степей > деФо(>"4ц"", я
Повышение плотности Увеличение твердости Повышение термопрочности Замедление образования трещин
Выглаживание
и= и=
Нг =
1.5 тт .25 тт
0.07 цт 0.47 (дт 0,64 цт
Улучшение свойств скольжения Снижение количества микротрещин
Рис. 2 Преимущества упрочняющего накатывания
Замена соответствующих производственных процессов на накатное полирование или упрочняющее накатывание хранит в себе огромный экономический потенциал. В зависимости от применения, при переходе от шлифования, полирования или хонингования к накатному полированию возможно снизить производственные затраты более чем на 50%. Объяснение этому в том, что отпадает необходимость в дорогой дополнительной обработке.
Кроме того, существенно снижается машинное время и детали можно обрабатывать за один установ, например, на токарном станке. В этом случае исчезают затраты на дополнительное оборудование и значительно снижаются затраты на основную обработку и переналадку. При этом дан-
ный процесс не имеет отходов в виде стружки или абразивных остатков, что существенно снижает загрязнение окружающей среды и затраты на утилизацию, как и абразивный износ станочных подшипников и направляющих.
Рассмотрим технологическую эффективность процессов. Область применения обоих способов находится в диапазоне от общего машиностроения, автостроения, авиастроения и моторостроения до медицинской и энергетической промышленности. Накатное полирование и упрочняющее накатывание подходит для применения на большинстве типов оборудование (например, универсальные и с ЧПУ токарные, сверлильные, фрезерные станки, обрабатывающие центра, станки для глубокого сверления). Накатное полирование и упрочняющее накатывание позволяют обрабатывать деталь за один установ непосредственно после общей обработки. В некоторых случаях, когда нет необходимости выполнять сложную комплексную обработку, на операциях обработки глубоких отверстий возможно применение накатного полирования или упрочняющего накатывания совместно с лезвийной обработкой.
и I!
/ \
7 / / \
/
/ —
Обороты
Рис. 3 Упрочняющее накатывание, метод погружения
Для обоих процессов можно применять различными кинематические схемы работы. Простейшей схемой применения для накатного полирования или упрочняющего накатывания является метод погружения (Рис. 3).
Ролик или шарик касается поверхности детали по нормали. В течении нескольких оборотов детали наращивается рабочее усилие до номинального, которое удерживается в течении нескольких оборотов детали. В конце процесса рабочее усилие снимается также в течении нескольких оборотов детали. Плавное наращивание и снижение рабочего усилия очень важно, т.к. это предотвращает появление резкого градиента сжимающих напряжений в поверхностной зоне, что может привести к преждевременному выходу детали из строя. Метод подачи (Рис. 3) применяется как для накатного полирования, так и для упрочняющего накатывания, например, при обработке цилиндрических поверхностей.
Метод подачи (Рис..4) применяется как для накатного полирования, так и для упрочняющего накатывания, например, при обработке цилиндрических поверхностей.
№ и артия.сеч- ю х
Рис. 4 Упрочняющее накатывание, метод подачи
Основным отличием между накатным полированием и упрочняющим накатыванием является цель применения. Так целью накатного полирования является определенное качество поверхности путем получения требуемой шероховатости, тогда как главной целью упрочняющего накатывания является повышение усталостной прочности. Кроме того, что выглаживание поверхности, поверхностный наклеп и сжимающие напряжения в поверхностной зоне повышают срок службы детали, они также значительно повышают ее надежность. Другим отличием между этими двумя процессами является методы контроля качества.
Так после накатного полирования применяются простые методы физических измерений качества поверхности. Тогда как для получения результатов упрочняющего накатывания необходимо проведение усталостных испытаний, измерение внутренних напряжений в поверхностном слое и т.п., что означает физическое повреждение детали. Кроме того, только накатное полирование в большинстве случаев позволяет выполнять последующую корректировку параметров процесса и его повторное выполнение, если требуемое качество поверхности не было получено. Для упрочняю-
щего накатывания получение гарантированного качества результатов возможно только при надежном воспроизведении всех параметров процесса. В частности, при обработке деталей, к которым предъявляются высокие требования по безопасности. Поверхностная пластическая деформация совместно с выглаживанием поверхности обеспечивают высокое качество поверхности со следующими свойствами:
- Низкая шероховатость.
- Высокий контактный коэффициент.
- Сглаженный микропрофиль.
- Повышенная поверхностная твердость.
- Остаточные впадины для лучшего смазывания.
Существенное снижение затрат получается при замене дорогостоящих технологий, таких как шлифование или хонингование, на более экономичную обработку [6]. Снижение затрат в первую очередь происходит за счет того, что накатное полирование и упрочняющее накатывание существенно короче по времени, чем альтернативные процессы. Вспомогательное время значительно снижается за счет того, что эти процессы выполняются на том же оборудовании, что и основная лезвийная обработка. Это значит, что отсутствуют транспортные расходы на транспортировку детали. И, наконец, эти процессы не загрязняют окружающее пространство, снижая тем самым затраты утилизацию, которые продолжают значительно расти.
Таким образом, по сравнению с другими процессами, накатное полирование и упрочняющее накатывание являются экономически эффективными процессами. Однако, из-за большого разнообразия возможных вариантов использования, рекомендуется индивидуальная проработка исходных данных и технологии их применения.
Список литературы
1. Яцун Е.И., Малыхин В.В., Зубкова О.С. Новиков С.Г. Инструментальное обеспечение процессов механической обработки твердыми сплавами и композитами: монография / Е.И. Яцун, В.В. Малыхин, О.С. Зубкова, С.Г. Новиков. Курск: ЗАО «Университетская книга»» - 2016.-с.160-124
2. Малыхин В.В., Новиков С.Г. Теория и практика алмазно-абразивного шлифования: монография / Малыхин В.В., Новиков С.Г.; Курск: Юго-Зап. гос. ун-т .,ЗАО «Университетская книга»» - 2019. - 199 с.
3. Малыхин В.В. Повышение эксплуатационных характеристик демпфирующих резцов. [Текст] / В.В. Малыхин, Е.И. Яцун, С.Г. Новиков // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии. - Курск, №2. 2012. С.43-46.
4. Справочник технолога / А. А. Панов, В. В. Аникин, Н. Г. Бойм и др.; под общ. ред. А. А. Панова. - М.: Машиностроение, 2004. - 784 с.
5. Схиртладзе А. Г. Технологические процессы в машиностроении: учебник / А. Г. Схиртладзе, С. Г. Ярушин, С. А. Сергеев. - 2-е изд., перераб. и доп. - Старый Оскол : ТНТ, 2008. - 524 с. (50 экз.)
6. А.Г. Косилова. Справочник технолога-машиностроителя. в 2-х томах-М.: Машиностроение, 2003.-694с
7. Моделирование номинальной поверхности тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 74-80.
8. Моделирование профиля производящей поверхности набора фрез, предназначенного для обработки тонкостенной детали с малыми углами конусности/ Куц О.Г., Емельянов С.Г., Горохов А.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 81-87.
9. Исследование особенностей формирования погрешности обработки при планетарном формообразовании отверстий длинных тонкостенных деталей/ Гречишников В.А., Куц В.В., Ванин И.В., Разумов М.С., Гречухин А.Н.// Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 1 (16). С. 11-15.
10. Математическое представление режущих кромок спирального сверла в системе МАРЬЕ/ Зубкова О.С., Куц В.В., Лыкова Л.Н., Лыкова Н.Н.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 7 (15). С. 21-28.
11. Сверление отверстий в напряженно-деформированном материале заготовки/ Куц
B.В., Бышкин А.С., Разумов М.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 3 (18). С. 20-23.
12. Решение задачи симметричного расположения зубьев с неравномерным шагом у охватывающей фрезы с радиальной конструктивной подачей для обработки рк-профильных валов/ Исаев А.В., Куц В.В., Сидорова М.А., Разумов М.С., Гречухин А.Н.// Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 3 (18). С. 4-7.
13. Исследование погрешности профиля обработанного вала охватывающей фрезой с радиальной конструктивной подачей/ Исаев А.В., Куц В.В., Сидорова М.А., Разумов М.С., Гречухин А.Н.// Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 2 (17).
C. 42-48.
14. Анализ конструкции фрез и пластин фирмы TAEGUTEC/ Жердева Н.Д., Круговых К.В., Пономарев В.В.// В сборнике: Перспективное развитие науки, техники и технологий, сборник научных статей материалы IV Международной научно-практической конференции.. 2014. С. 98-102.
15. Determining the geometric parameters of a sheared layer in drilling of nonferrous metals and alloys with the use of axial vibrations/ Emel'yanov S.G., Sidorova V.V., Ponomarev V.V., Razumov M.S.// Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Т. 52. № 11-12. С. 796800.
16. Метод определения положения зубьев сборной дисковой фрезы с конструктивной радиальной подачей/ Куц В.В., Пономарев В.В.// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 6. С. 81-85.
17. Оценка качества измерений подшипников скольжения в процессе выполнения технологического процесса/ Василенко В.С., Малыхин В.В., Ремнев А.И., Рубанов Е.М., Яцун Е.И.// В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, материалы IX-ой Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А. А.. 2012. С. 219-224.
18. Иллюстрация модели удержания алмазно-абразивного зерна в органических связках шлифовального инструмента/ Новиков С.Г., Малыхин В.В., Яцун Е.И., Фадеев А.А., Новиков Ф.В.// В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновацииматериалы IX-ой Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов А. А.. 2012. С. 263-267.
19. Технико-экономическая оценка алмазно-искрового шлифования твердосплавных инструментов/ Малыхин В.В., Родионова И.Н., Ткаченко Т.Б., Фадеев А.А.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2014. № 3. С. 23-28.
