CC BY
8
УДК 621
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-521-525
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ УПРОЧНИТЕЛЯ НА ТОЛЩИНУ УПРОЧНЕННОГО СЛОЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ, ОБРАБАТЫВАЕМОЙ МЕТОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБРАБОТКИ
Ю.А. Проскорякова, А.А. Феденко
В статье представлены исследования конструктивных параметров инструмента, применяемого для шариковой центробежной обработки поверхностей деталей, и их влияние на величину упрочняемого слоя. Рассмотрены методы шариковой центробежной обработки наружных и внутренних поверхностей и некоторые особенности конструкции упрочнителей. Приведены аналитические зависимости толщины упрочняемого слоя от конструктивных параметров инструмента. Результаты представлены в виде таблицы для трех обрабатываемых материалов.
Ключевые слова: шариковая центробежная обработка, упрочнитель, поверхностная пластическая деформация, ППД, толщина поверхностного слоя.
При изготовлении различных машин и механизмов иногда в их состав входят особо ответственные детали, обеспечивающие функциональность и безопасность работы машины в целом. К таким деталям предъявляют повышенные требования относительно внутренней структуры и поверхностного слоя. Особенно среди них выделяются длинномерные детали, у которых достаточно сложно выдержать равномерность структуры и поверхностного слоя на протяжении всей длины. При значительной длине эти детали маложесткие, что усложняет получение необходимых параметров и характеристик поверхностного слоя и структуры.
Способы решения. Для выравнивания структуры и придания необходимых свойств поверхностному слою деталей существует достаточно большое количество методов обработки [14]. В частности, на производстве активно применяются методы поверхностной пластической деформации (ППД), позволяющие значительно улучшить структуру материала детали и обеспечить необходимые характеристики поверхностного слоя. Однако не все эти методы позволяют обрабатывать длинномерные детали малой жесткости. Так, например, при вибрационной обработке требуется очень сложное оборудование повышенной мощности, способное раскачать с необходимой амплитудой большую массу стальных шариков. Поэтому чаще всего применяют более простой с точки зрения технологии и оборудования способ - центробежную обработку (ЦО). По сравнению с другими методами ППД центробежная обработка обладает рядом преимуществ:
- высокая производительность обработки на единицу площади поверхности;
- возможность обработки поверхностей длинномерных деталей малой жесткости и сложного сечения;
- простота конструкции применяемого оборудования;
- высокая энергоемкость воздействия на поверхностный слой обрабатываемой детали, что позволяет применять ЦО для обработки высокопрочных материалов.
Центробежная обработка позволяет значительно (на один-два класса) снизить шероховатость поверхности и увеличить твердость и износостойкость поверхностного слоя за счет наклепа. С помощью ЦО можно обрабатывать как наружные цилиндрические поверхности тел вращения, так и внутренние (рис. 1).
Центробежная обработка поверхности осуществляется за счет динамического удара шарика по обрабатываемой поверхности, получающего энергию от центробежной силы при вращении диска упрочнителя. Диск упрочнителя имеет радиальные конические отверстия, при этом диаметр отверстия на периферии диска несколько меньший чем диаметр шарика, что позволяет шарику выступать за диск, но не выпадать из него. Величина, на которую выступает шарик из диска, имеет название натяг, который пропорционален диаметру шарика. Величина натяга оказывает значительное влияние на получаемую шероховатость поверхности и регламентируется i = 0,12^0,25 мм. Шарики от шарикоподшипников, которые в основном используются для упрочнителей, имеют диаметры от 5 до 20 мм.
Для создания необходимой величины центробежной силы скорость вращения диска упрочнителя должна быть в пределах 15^40 м/с в зависимости от диаметра диска и диаметров шариков. Скорость вращения обрабатываемой детали на порядок ниже и составляет 0,5^1,5 м/с,
521
которая зависит от обрабатываемого материала, количества шариков в упрочнителе и их диаметров. Для обработки всей цилиндрической поверхности детали узел упрочнителя перемещается с продольной подачей 0,04^0,16 мм/об. При этом достигается глубина наклепа 0,4^1,5 мм и шероховатость поверхность Яа = 0,16 мкм.
31
1
N "О
Й
И и
б
Рис. 1. Схема центробежной обработки поверхностей тел вращения: а - наружных; б - внутренних; 1 -упрочнитель; 2 - обрабатываемая деталь
При использовании шариков малых диаметров величина натяга небольшая, а поскольку при этом масса шариков незначительная, то и центробежная сила имеет недостаточную величину, поэтому и глубина внедрения шариков при работе такого упрочнителя также мала. Однако, у этих упрочнителей, в связи с малым шагом расположения шариков на периферии диска, количество их позволяет значительно увеличить число ударов, приходящееся на единицу площади обрабатываемой поверхности.
Упрочнители с малыми натягами, как правило, дополнительно комплектуются упругими отражателями, позволяющими погасить реактивный отскок шарика после удара по обрабатываемой поверхности (рис. 2). Плавающий отражатель 2 свободно сидит в корпусе упрочнителя 3 и имеет возможность перемещаться в радиальном направлении. В нижней части отражателя находится резиновый или полиуретановый демпфер 4, который диссипирует энергию перемещения отражателя, предотвращая его удар о корпус 3.
Рис. 2. Схема упрочнителя с упругим отражателем: 1 - шарик; 2 - плавающий отражатель; 3 - корпус упрочнителя; 4 - демпфер
После удара по обрабатываемой поверхности шарик 1 отскакивает и, передавая часть энергии отскока отражателю 2, возвращается на свою рабочую позицию. Отражатель, реализуя полученную энергию, перемещается в радиальном направлении к центру упрочнителя. При соприкосновении отражателя с корпусом в работу вступает демпфер, который смягчает ударное действие этого контакта. Далее под действием центробежной силы отражатель возвращается на свое место.
Для повышения производительности ЦО изготавливают упрочнители, у которых имеется несколько рядов шариков, расположенных в шахматном порядке (рис. 3). Многорядные упрочнители позволяют значительно увеличить продольную подачу и площадь обрабатываемой поверхности. Они применяются для обработки цилиндрических и плоских поверхностей.
Для осуществления центробежной обработки твердость шариков должна быть значительно выше твердости обрабатываемых деталей, поэтому в упрочнителях применяют шарики, изготавливаемые для шарикоподшипников. Их характеристики, такие как твердость, точность размеров и формы, шероховатость, достаточны для формирования деформаций в поверхностном слое обрабатываемых деталей. Пластическая деформация приводит к изменению ориентации и
522
а
формы зерен, они подвергаются сплющиванию, дробятся на фрагменты и блоки, вытягиваются в направлении максимальной деформации [1, 6]. Кроме того, энергия, накопленная в поверхностном слое как результат деформации, выделяется в виде тепла, что может привести к рекристаллизации материала слоя.
Рис. 3. Многорядный упрочнитель
При проведении теоретических исследований автором работы [7] получена аналитическая зависимость определения максимальной глубины отпечатка шарика на обрабатываемой поверхности при ЦО:
Г k р
hmax = 2&cRck¡r sin a c s
V3ksc<Js у
где Юс - угловая скорость вращения диска упрочнителя, с-1; Яс - радиус диска упрочнителя, м; к, - коэффициент, учитывающий величину натяга; г - радиус шарика, м; а - угол контакта шарика с обрабатываемой поверхностью, рад; кс - коэффициент, учитывающий влияние диска упрочнителя; - плотность материала шарика, кг/м3; - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости обрабатываемой поверхности на площадь фактического контакта; с - коэффициент несущей способности поверхностного слоя детали; Os - предел текучести материала детали, Па.
Важное значение результата центробежной обработки детали имеет величина упрочненного слоя и степени упрочнения. Толщина упрочненного слоя влияет на эксплуатационные свойства детали, такие как износостойкость, коррозионная стойкость, усталостная прочность, контактная прочность, микротвердость и др. Аналитическая зависимость толщины упрочненного слоя Ни учитывает физико-механические свойства обрабатываемого материала, параметры и режимы процесса ЦО и представлена формулой:
кн = 3кн 1
2 (ctg a - f )kmax + Ъ
Vr 2 -(r " kmax )2 '
где кн - коэффициент, зависящий от степени наклепа; f - высота микронеровностей; Ь - малая полуось эллипса отпечатка шарика.
Теоретические значения Ни при различных сочетаниях технологических и конструктивных параметров центробежной обработки представлены в таблице.
Толщина упрочненного слоя для различных обрабатываемых материалов
Частота вращения диска упрочнителя, n, об/мин Радиус диска упрочнителя, Rc, мм Радиус шариков, r, мм кн для сталей, мм
40ХН2МА 38ХГН 45Г2
2000 80 3,5 0,561 0,615 0,726
2500 0,643 0,706 0,835
3000 0,719 0,791 0,937
2000 6 0,961 1,055 1,245
2500 1,101 1,209 1,431
3000 1,233 1,356 1,605
2000 8 1,281 1,406 1,659
2500 1,469 1,614 1,908
3000 1,644 1,808 2,141
2000 100 3,5 0,643 0,706 0,835
2500 0,738 0,812 0,961
3000 0,827 0,911 1,081
2000 6 1,101 1,211 1,432
2500 1,265 1,391 1,648
3000 1,417 1,561 1,851
2000 8 1,471 1,616 1,912
2500 1,689 1,855 2,197
3000 1,891 2,081 2,468
2000 130 3,5 0,756 0,832 0,985
2500 0,869 0,958 1,137
3000 0,976 1,076 1,279
2000 6 1,296 1,426 1,689
2500 1,491 1,642 1,948
3000 1,673 1,844 2,192
2000 8 1,728 1,901 2,252
2500 1,988 2,189 2,598
3000 2,231 2,459 2,922
Заключение. Анализ представленных аналитических зависимостей и результаты теоретического исследования позволяет сделать следующие выводы:
1. При увеличении частоты вращения диска упрочнителя толщина упрочняемого слоя увеличивается.
2. При увеличении диаметра диска упрочнителя толщина упрочняемого слоя увеличивается.
3. При увеличении диаметра шарика, а, следовательно, и его массы, толщина упрочняемого слоя увеличивается.
4. При увеличении предела текучести материала детали наблюдается обратно пропорциональная зависимость, т.е. толщина упрочняемого слоя уменьшается.
Таким образом, изменение скоростных и размерных параметров инструмента центробежной обработки в конечном итоге приводит к изменению центробежной силы, которая и определяет параметры обработанной поверхности. Предложенные аналитические зависимости расчета толщины упрочняемого слоя не противоречат установившимся представлениям в области центробежной обработки и могут быть использованы при инженерных расчетах технологических параметров процесса ЦО.
Список литературы
1. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющее-калибрующей и формообразующей обработки металлов. М.: Машиностроение, 2002. 206 с.
2. Смелянский В.М. Механика формирования поверхностного слоя деталей машин в технологических процессах поверхностного пластического деформирования: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.08. М., 1986. 46 с.
3. Олейник Н.В., Кычин В.П., Луговской А.Л. Поверхностное динамическое упрочнение деталей машин. К.: Техника, 1984. 151 с.
4. Бабичев А.П., Мишняков Н.Т. Теоретико-вероятностная модель процесса виброобработки плоской детали в случае эллиптических пятен контакта / Прогрессивная отделочно-упроч-няющая технология: Межвуз. сб. Ростов н/Д, 1981. С. 8-10.
5. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 с.
6. Феденко А.А. Исследование технологических параметров вибрационной отделочной обработки деталей / А.А. Феденко, Ю.А. Проскорякова, М.М. Чаава, И.М. Чукарина // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2021. Вып. 8. С. 198-202.
7. Проскорякова Ю.А. Методика проектирования технологических процессов центробежной обработки // Вестник ДГТУ. - Ростов н/Д, 2009. №1 (40). Т.9. С. 82-91.
Проскорякова Юлия Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения,
Феденко Алексей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
INFLUENCE OF THE STRUCTURE OF THE HARDENER ON THE THICKNESS OF THE HARDENED LAYER OF THE SURFACE OF THE PART PROCESSED BY THE CENTRIFUGAL
MACHINING METHOD
Y.A. Proskorjakova, A.A. Fedenko
The article presents a study of the design parameters of the tool used for ball centrifugal machining of surfaces ofparts, and their influence on the size of the hardened layer. The methods of ball centrifugal processing of external and internal surfaces and some design features of hardeners are considered. Analytical dependences of the thickness of the hardened layer on the design parameters of the tool are given. The results are presented in tabular form for the three processed materials.
Key words: ball centrifugal processing, hardener, surface plastic deformation, SPD, surface layer thickness.
Proskorjakova Yuliya Anatolievna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University,
Fedenko Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Rostov State Transport University
УДК 62-183.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-525-533
АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДЕТАЛИ «СТОЙКА» Д.Г. Кузьмин, С.И. Борискин, С.А. Ефанов, А.А. Сидорова
В работе рассматриваются вопросы анализа статической прочности, а так же оптимизация детали «Стойка» входящая в сборочный узел «Механизм поворота». В качестве метода анализа используется метод конечных элементов, а в качестве среды моделирования SOLID WORKS Simulation. По результатам проделанного анализа была выполнена оптимизация конструкции детали «Стойка», при котором можно уменьшить массу детали сохраняя ее надежность.
Ключевые слова: 3D моделирование, оптимизация, конечно элементный анализ, напряженно - деформированное состояние, SOLID WORKS Simulation.
В современном мире стремительными темпами развивается тенденция экономии материала, но при этом необходимо сохранять прочностные свойства детали.
Много работ посвящено проектированию и анализу деталей [1,2,3].
Статическая прочность и жесткость элементов конструкции были рассмотрены в работах [4,5,6].
В настоящее время востребованными являются вопросы проектирования, анализа напряженного состояния и оптимизации, как всего механизма, так и его узлов.
В качестве цели оптимизации была выбрана деталь «Стойка». Чертеж детали и ее 3D модель показаны на рис. 1.
Данная деталь входит в состав сборочного узла «Механизм поворота» представленного
на рис. 2.
