Отделочно-упрочняющая обработка нежестких цилиндрических деталей орбитальным выглаживанием

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, изложена научная новизна и практическая ценность, представлены методы исследования и методология, а также основные положения, выносимые на за- щиту.
В первой главе приведен анализ влияния процессов ППД на характеристики ка- чества поверхностного слоя деталей. Большой вклад в этом направлении сделали рос- сийские ученые: Блюменштейн В. Ю., Букатый С. А., Журавлев Д. А., Исаев А. Н., Кропоткина Е. Ю., Кузнецов В. П., Маркус Л. И., Маталин М. М., Одинцов Л. Г., Пап- шев Д. Д., Пашков А. Е., Поляк М. С., Смелянский В. М., Суслов А. Г., Торбило В. М., Тотай А. В., Чепа П. А., Школьник Л. М и многие другие. Установлено, что ППД явля- ется одним из наиболее простых и эффективных методов отделочно-упрочняющей об- работки деталей машин.
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы отраже- ны в 25 публикациях. Из них: 16 статей в изданиях из списка ВАК РФ и Scopus, 2 па- тента РФ на изобретение.
Рассмотрены виды изделий и технологические проблемы при изготовлении не- жестких деталей. Установлено, что при поверхностном пластическом деформировании нежестких цилиндрических деталей известные локальные методы ППД исчерпали свои технологические возможности. Это связано с малой изгибной жесткостью заготовки, вибрациями в механической системе, сложностью достижения заданного качества из- делия, точности и производительности обработки.
Схему ППД скольжением рабочего инструмента значительно реже используют на практике, т. к. трение скольжения в зоне контакта приводит к большим тепловым процессам, а сам инструмент интенсивно изнашивается. Однако если оценить схемы упрочнения с точки зрения механики процесса и возможности деформационного иска- жения микроструктуры, то обработка по схеме скольжения представляется более эф- фективной.
Рассмотрены технические идеи по интенсификации напряженного состояния в очаге деформации, которые заключаются в усложнении кинематики рабочего инстру- мента, усиливающей искажение зеренной структуры материала.
В заключении первой главы сформированы цель диссертационной работы и за- дачи исследования для ее достижения.
Во второй главе изложены результаты конечно-элементного моделирования локального нагружения при различных условиях контакта с обработанной поверхно- стью. Установлено, что кинематика деформирующего инструмента значительно влияет на изменение характера распределения и величины напряжений. Выявлена эффектив- ность схемы орбитального нагружения по сравнению с другими известными способа- ми.
На рис. 1 показана технологическая схема орбитального выглаживания цилин- дрических деталей. Процесс орбитального выглаживания заключается в деформирова- нии обрабатываемой поверхности за счет скольжения по ней рабочего инструмента, который совершает орбитальное движение относительно оси, перпендикулярной оси заготовки. При этом траектория вращения осевой линии рабочего инструмента образу- ет в пространстве коническую поверхность с некоторым углом 2α.
Рисунок 1 – Технологическая схема орбитального выглаживания цилиндрических деталей
Для сравнения орбитального выглаживания с известными схемами локального упрочнения при моделировании были рассмотрены еще две схемы: статическое выгла- живание и упрочнения, основанное на вращении рабочего инструмента относительно центральной оси (рис. 2).
С применением программного комплекса ANSYS была создана конечно- элементная модель, состоящая из инструмента и обрабатываемой заготовки. Заготовку моделировали цилиндром из стали 45 ( т= 360 МПа, в= 650 МПа) как упругопластиче- ское, а инструмент, имеющий стержневую форму со сферическим наконечником, как абсолютно жесткое тело. Тепловые явления не учитывали, коэффициент трения в зоне контакта принят  = 0,1.
Рисунок 2 – Кинематические схемы упрочняющей обработки цилиндриче- ских деталей поверхностным пластическим деформированием: а – статическое вы- глаживание; б – выглаживание, основанное на вращении рабочего инструмента относи-
тельно продольной оси заготовки; в – орбитальное выглаживание
На рис. 3 представлены фрагменты программы, содержащие результаты опреде- ления интенсивности временных и остаточных напряжений в зависимости от схемы нагружения образца при поверхностном пластическом деформировании.
Рисунок 3 – Примеры распределения полей интенсивности временных (1) и остаточных напряжений (2) при разных схемах нагружения (см. рис. 2)
Установлено, что поля распределения интенсивности остаточных напряжений имеют более сложную картинку по сравнению с временными напряжениями. При более сложной кинематике рабочего инструмента интенсивность временных и остаточных напряжений сжатия возрастает.
На рис. 4 представлено изменение интенсивности напряжений и главных компо- нент тензора напряжений во времени на входе и выходе рабочего инструмента из очага деформации в зависимости от схемы нагружения.
Рисунок 4 – Изменение напряжений на входе и выходе рабочего инструмента из очага деформации при разных схе- мах нагружения (см. рис. 2)
Следует отметить, что процесс внедрения инструмента в поверхность образца обеспечивает упругопластическое деформирование металла. Сначала происходит упру- гая деформация, затем упругопластическая. После снятия нагрузки с инструмента про- цесс разгрузки происходит относительно быстро и в металле формируются остаточные напряжения.
При орбитальном кривые изменения напряжений похо- жи на кривые, полученные при вращающего инструмента вокруг своей оси. Однако орбитальное вращение инструмента характеризуется более пульсирующими кривыми, которые объясняются тем, что при вращении инструмента за счет дополни- тельных сил трения скольжения происходят более сложные деформационные процессы в поверхностных слоях. Кроме этого, орбитальное
. Что приво- дит к росту интенсивности напряжений в очаге деформации по сравнению с напряже-
ниями при статическом нагружении.
Результаты моделирования напряженного состояния упрочненных деталей в
очаге деформации при разных кинематических схемах обработки приведены в табл. 1. Установлено, что усложнение кинематики рабочего инструмента сказывается в большей мере на осевых и тангенциальных напряжениях, чем на радиальных. Получен- ные результаты дают основание для разработки рекомендаций по снижению радиаль-
ных деформаций при постоянной величине натяга.
внедрении инструмента
внедрении
нагружение
приводит к формирова-
нию дополнительных сдвиговых деформаций в радиальном направлении лунки и до- полнительного наклепа за счет обкатки инструмента по поверхности лунки. Материал нагруженного тела находится в условиях сложного напряженного состояния и испыты-
вает пластическую деформацию с накоплением большого числа искажений
Таблица 1 – Максимальные значения компонент напряжений при разных кинематических схемах обработки
Схемы упроч- няющей обра- ботки
Схема 2а
Схема 2б Схема 2в
Компоненты напряжений, МПа
вр вр вр вр ос ос ос ос
453 -1191
495 -1227 579 -1288
-1203 -897
-1217 -928 -1404 -1080
382 -168 -169 -395
393 -170 -173 -408 410 -173 -181 -430
Компьютерные расчеты подтверждают известную информацию о том, что с усложнением кинематики деформирующего инструмента напряженное состояние в по- верхностном слое повышается. Величина интенсивности остаточных напряжений из- меняется в пределах 15–30 % от интенсивности временных напряжений в зависимости от кинематики процесса. По схеме статического выглаживания (см. рис. 2а) получена минимальная величина остаточных напряжений сжатия, а по схеме обработки орби- тальным выглаживанием (см. рис. 2в) – максимальная, потому что обработка орбиталь- ным движением инструмента осуществляется при больших значениях временных напряжений.
Рисунок 5 – Распределение интенсив- Рисунок 6 – Распределение компонент ности остаточных напряжений по остаточных напряжений вдоль радиуса глубине образца при разных кинема- образца при обработке цилиндрических тических схемах нагружения деталей орбитальным выглаживанием
На рис. 5 и 6 приведено распределение интенсивности остаточных напряжений по глубине образца при разных кинематических схемах нагружения и компонент оста- точных напряжений вдоль радиуса образца при обработке цилиндрических поверхно- стей орбитальным выглаживанием.
Полученные результаты показывают, что в процессе орбитального выглажива- ния создаются остаточные напряжения сжатия в поверхностном слое и остаточные напряжения растяжения в центральной зоне. Максимальные осевые и тангенциальные остаточные напряжения сжатия формируются на глубине около 1 мм от поверхности деталей. Величина осевых остаточных напряжений во всех случаях значительно пре- вышает тангенциальные.

Таким образом, исследование кинематики локального нагружения показало, что имеются новые возможности как для изменения напряженного состояния в очаге упру- гопластической деформации, так и остаточных напряжений в упрочненных деталях. Результаты компьютерного моделирования и расчеты напряженного состояния при ло- кальном воздействии рабочего инструмента позволили обосновать эффективность но- вого способа отделочно-упрочняющей обработки – орбитального выглаживания.
В работе представлены результаты исследования влияния основных параметров рабочего инструмента и режимов обработки орбитальным выглаживанием на напря- женное состояние в поверхностном слое упрочненных деталей.
На рис. 7 и 8 представлено влияние величины натяга (глубины внедрения рабо- чего инструмента) и марки материалов на интенсивность напряжений и компоненты максимальных остаточных напряжений.
Рисунок 7 – Влияние величины натяга на интенсивность напряжений и компоненты максимальных остаточных напряжений
Рисунок 8 – Влияние марки материалов на интенсивность максимальных напряжений (а) и компоненты остаточных напряжений (б)
Результаты моделирования показывают, что с увеличением величины натяга растет интенсивность временных и остаточных напряжений. При величине натяга выше 0,15 мм происходит перенаклеп, который отрицательно сказывается на качестве дета- лей машин и их эксплуатационных свойствах.
Как видно из рис. 8, при постоянных режимах упрочнения чем больше предел текучести, тем большую величину имеет интенсивность напряжений при орбитальном
выглаживании. При одинаковом пределе текучести σТ = 280 МПа (алюминиевый и медный сплавы) большие напряжения возникают у материла с более высоким модулем упругости.
В работе исследовано влияние кинематики деформирующего инструмента и па- раметров орбитального нагружения на формирование упругопластической волны. На рис. 9 представлена для примера геометрия контактной и внеконтактной деформации при орбитальном внедрении инструмента в стальное тело.
Рисунке 9 – Геометрия контактной и внеконтактной деформации при орби- тальном нагружении (Rи = 5 мм; t = 1 мм, nи = 60 об/мин, α =100)
При орбитальном нагружении форма волны аналогична форме при статическом локальном нагружении и локальном нагружении с вращением инструмента относи- тельно z-z, отличается только длина (lв) и высота (hв) волны.
При статическом нагружении инструмента (см. рис 2а) размеры упругопласти- ческой волны имеют наименьшие значения, так как инструмент плавно внедряется в поверхностный слой и препятствует росту упругопластической волны. По схеме на рис. 2в инструмент образует фронт деформации, который стремится выдавить металл на свободную поверхность, что приводит к повышению размеров упругопластической волны. Результаты моделирования показывают, что при орбитальном воздействии де- формирующего элемента образуется упругопластическая волна, которая почти в 7,5 раз превышает высоту волны при статическом нагружении.
На рис. 10 показано распределение временных (а) и остаточных напряжений (б) по оси z в области упругопластической волны при орбитальном нагружении.
Рисунок 10 – Распределение временных (а) и остаточных напряжений (б) по оси z в области упругопластической волны
По сравнению со статическим нагружением геометрические параметры волны во внеконтактной зоне упругопластической деформации при орбитальном нагружении значительно выше. В вершине волны возникают остаточные напряжения растяжения

величиной 35–40 МПа, но они почти в 15 раз меньше предела прочности материала и поэтому не оказывают практического влияния на прочность поверхностного слоя.
В работе рассмотрено также влияние основных параметров рабочего инструмен- та на геометрические характеристики пластической лунки. На рис. 11 показаны формы и геометрические характеристики проекции пластической лунки на плоскость при из- менении угла наклона рабочего инструмента.
Рисунок 11 – Форма и геометрические характеристики пластической лунки при изменении угла наклона рабочего инструмента: 1 – пластическая зона; 2 –
упругая зона
В наших опытах при орбитальном вращении рабочего инструмента под углом α <300 будет формироваться полностью пластическая область. Если угол α больше 300, то пластическая зона формируется в виде пластического эллипсного кольца, централь- ная область которого находится в упругом состоянии. Расчетные результаты позволяют утверждать, что орбитальное выглаживание по сравнению со статическим выглаживанием является более производительным техноло- гическим процессом, так как за счет увеличения площади пластической лунки можно повышать подачу инструмента и (или) частоту вращения заготовки. В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования показателей качества упрочненных деталей в зависимости от основных параметров орбитального выглаживания. Рисунок 12 – Поверхностное пла- стическое деформирование орби- тальным выглаживанием: 1– мо- тор-редуктор; 2 – корпус для за- крепления деформирующего ин- струмента; 3 – трехкулачковый па- трон; 4 – обрабатываемая заготовка; 5 – деформирующий инструмент; 6 – задний центр; 7 – блок управле- ния частотой вращения рабочего инструмента Эксперименты проведены на токарно-винторезном станке 1К62 с помощью устройства для создания орбитального движения рабочему инструменту (рис. 12), ко- торое крепится на суппорте токарного станка вместо резцедержателя. В качестве сма- зочно-охлаждающей жидкости использовали масло индустриальное И-40А. Приняты следующие базовые параметры орбитального выглаживания: α = 40; nз = 100 об/мин; Rи = 4 мм; RL = 1 мм, nи = 60 об/мин; t = 0,075 мм; s = 0,11 мм/об. Шероховатость. Анализ профилограмм шероховатости поверхности показыва- ет, что при орбитальном выглаживании образуется новая поверхность со значительно меньшей высотой микрогребешков по сравнению с исходной шероховатостью (Ra = 2,49 мкм; Rz = 9,82 мкм; Sm = 226 мкм; Rv = 8,82 мкм). На рис. 13 показана зависимость показателей шероховатости поверхности (Ra, Rz, Sm и Rv) от радиуса орбитального вращения. Рисунок 13– Зависимость параметров шероховатости от радиуса орбиталь- ного вращения Результаты опытов показывают, что существенное влияние на параметры шероховатости поверхности при орбитальном выглаживании оказывает радиус орби- тального вращения. С увеличением радиуса орбитального вращения от 0,5 до 2,5 мм параметры шероховатости Ra, Rz, Rv повышаются в 5,5–6 раз, и Sm – в 2,5 раза. Наименьшие параметры шероховатости достигаются при радиусе орбитального враще- ния меньше 1 мм. Отклонение от круглости. Результаты измерения отклонения от круглости по- казывают, что после орбитального выглаживания оно снижается в 2–3 раза по сравне- нию с поверхностью, обработанной резанием. Существует оптимальный диапазон ве- личины натяга (в нашем случае t = 0,05 – 0,1 мм), при котором обеспечивается мини- мальное отклонение от круглости. С увеличением угла наклона рабочего инструмента и радиуса орбитального вращения отклонение от круглости повышается, что свидетель- ствует о снижении точности формы упрочненных деталей. Твердость поверхностного слоя. Экспериментальные результаты показали, что твердость поверхностного слоя после орбитального выглаживания повышается на 7–11 % по сравнению с исходной твердостью поверхности. Если увеличение угла наклона рабочего инструмента приводит к росту твердости, то увеличение радиуса рабочего ин- струмента дает обратный эффект. Существует оптимальный радиус орбитального вра- щения RL, при котором обеспечивается максимальная поверхностная твердость (в нашем случае RL = 1 мм). Микротвердость по глубине упроченного слоя. Экспериментальные исследо- вания показали, что после орбитального выглаживания микротвердость увеличивается на 25–40 %, то есть металл значительно упрочняется. На рис. 14 показано распределе- ние микротвердости по сечению деталей после орбитального выглаживания в зависи- мости от угла наклона рабочего инструмента. Как видно из рис. 14, с увеличением угла наклона рабочего инструмента, вели- чина микротвердости по глубине поверхностного слоя повышается. Установлено, что микротвердость на поверхности упрочненных деталей имеет свое максимальное значе- ние. Величина микротвердости по глубине постепенно уменьшается до уровня микро- твердости материала в исходном состоянии. При дальнейшем увеличении глубины слоя (больше 1,5 мм) значения микротвердости практически не изменяются. Рисунок 14 – Распределение микротвердости по глубине поверхностного слоя в зависимости от угла наклона рабочего инструмента Микроструктура упрочненного слоя. В табл. 2 показаны фотографии микро- структуры металла после орбитального выглаживания при базовых режимах обработки. Таблица 2 – Микроструктура упрочненного образца (Сталь 45) после орби- тального выглаживания (x500 раз) Тип сечения Поперечное сечение Продольное сечение На фотографиях микроструктуры наблюдаются заметные изменения структуры поверхностного и приповерхностного слоя после орбитального выглаживания. Значи- тельное искажение зерен происходит в поверхностном слое на глубине 0,2–0,3 мм. Поверхностный слой Осевая зона Центральная область практически не претерпевает пластической деформации, и зерна не изменяют своих размеров. Анализируя структуру поверхностного слоя упрочненных деталей, установлено, что после орбитального выглаживания зерна вытягиваются в продольном направлении интенсивнее, чем в поперечном. В результате этого размеры зерен поверхностного слоя на продольных шлифах более мелкие, чем на поперечных. В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования износостойкости, изгибной жесткости упрочненных деталей и технологические реко- мендации для реализации орбитального выглаживания. Для оценки износостойкости при контакте стальных цилиндрических образцов с резиновыми вкладышами в водной среде были проведены соответствующие экспери- ментальные исследования. На рис. 15 представлены результаты испытания на износо- стойкость образцов, необработанных и упрочненных разными способами. Рисунок 15 – Абсолют- ный износ образцов в зависимости от способа упрочнения: 1 – без упрочнения, 2 – упрочне- ние статическим выгла- живанием, 3 – упрочнение орбитальным выглажива- нием Исследованиями установлено, что существенное влияние на износостойкость упрочненных деталей оказывает способ обработки ППД. Предлагаемый метод упроч- нения с помощью устройства для создания орбитального движения рабочего инстру- мента позволяет повысить износостойкость деталей в 2,1 раза, а упрочнение статиче- ским выглаживанием – в 1,7 раза. Изгибная жесткость образцов типа стержней и валов представляет собой спо- собность сопротивляться искривлению под действием внешней поперечной нагрузки, которая оценивается значением максимального прогиба. Как правило, чем больше зна- чение максимального прогиба, тем меньшую величину имеет изгибная жесткость. За- висимость максимальной величины прогиба образцов от величины поперечной нагруз- ки при разных условиях нагружения показана на рис. 16. На основании проведенных экспериментальных исследований установлено, что орбитальное выглаживание позволяет достичь уменьшения величины максимального прогиба нежестких деталей при разных значениях радиальной нагрузки. После орби- тального выглаживания величина максимального прогиба уменьшается в 1,3–1,5 раза, а после статического выглаживания в 1,1–1,2 раза по сравнению с прогибами неупроч- ненных образцов. 17 Рисунок 16 – Зависимость максимального прогиба цилиндрических образцов от величины поперечной нагрузки Обработку результатов измерений проводили с использованием программы Statistika 6.1.478. Установлены рациональные режимы орбитального выглаживания при упрочнении цилиндрических деталей. Скорость деформирования находится в диапа- зоне 50–100 об/мин; натяг t = 0,05–0,1 мм; частота вращения рабочего инструмента nи = 60–100 об/мин; радиус орбитального вращения RL = 0,5–1 мм; радиус рабочего инстру- мента Rи = 3–5 мм; продольная подача инструмента от 0,07 до 0,15 мм/об; угол наклона рабочего инструмента от 2 до 40. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертационная работа представляет собой комплексное исследование техно- логии отделочно-упрочняющей обработки орбитальным выглаживанием. Решена акту- альная научно-техническая задача, направленная на интенсификацию напряженного состояния нежестких цилиндрических деталей. Ее научные и практические результаты состоят в следующем: 1. Разработан новый способ поверхностного пластического деформирования, основанный на принципе орбитального движения деформирующего инструмента, ко- торый позволяет при постоянной величине натяга повышать интенсивность напряжен- ного состояния в очаге упругопластической деформации и качество поверхностного слоя упрочненных деталей. Способ защищен патентом РФ (No 2707844). 2. На основе теории малых упругопластических деформаций разработана конеч- но-элементная модель локального нагружения с учетом реального перемещения рабо- чего инструмента и режимов обработки, позволяющая определять напряженно- деформированное состояние в очаге деформации, зоны распределения пластической деформации и остаточные напряжения в упрочненных деталях. Установлено, что при орбитальном выглаживании величина интенсивности временных напряжений повыша- ется на 15–25 %, а величина интенсивности остаточных напряжений – на 8–12 % по сравнению с упрочнением статическим выглаживанием. Полученные результаты под- тверждают техническую идею работы по повышению интенсивности напряженного со- стояния в очаге деформации за счет усложнения кинематики рабочего инструмента. 3. По сравнению со статическим выглаживанием геометрические параметры волны во внеконтактной зоне упругопластической деформации при орбитальном вы- глаживании значительно выше. В вершине волны возникают радиальные напряжения растяжения величиной 35–40 МПа, они почти в 15 раз меньше предела прочности ма- териала и поэтому не оказывают практического влияния на прочность поверхностного слоя. 4. Экспериментальным путем определено влияние технологических параметров орбитального выглаживания на качество упрочненного поверхностного слоя цилин- дрических деталей. Орбитальное выглаживание после механической обработки суще- ственно снижает шероховатость в 2–8 раз и отклонение от круглости поверхности в 1,5–2 раза. Установлено, что значительное искажение зерен происходит в поверхност- ном слое на глубине 0,2–0,3 мм. Микротвердость поверхностного слоя повышается в среднем на 20–50 %. Твердость поверхности повышается на 7–11 %. Глубина упрочне- ния находится в диапазоне 1,2–1,6 мм. Таким образом, разработанный способ ППД позволяет обеспечить не только повышенную интенсивность напряженного состояния в зоне деформации, но и высокое качество поверхностного слоя. 5. Установлены рациональные режимы орбитального выглаживания при упроч- нении цилиндрических деталей. Частота вращения заготовки находится в диапазоне 50–150 об/мин; натяг t = 0,05–0,1 мм; частота вращения рабочего инструмента nи = 60– 100 об/мин; радиус орбитального вращения RL = 0,5–1 мм; радиус рабочего инструмен- та Rи = 3–5 мм; продольная подача от 0,07 до 0,15 мм/об; угол наклона рабочего ин- струмента от 2 до 40. Полученные результаты и режимы ППД рекомендуются к исполь- зованию в заводских условиях. 6. Экспериментально установлено, что максимальная износостойкость наблюда- ется у деталей после ППД орбитальным выглаживанием, а минимальная – у деталей упрочненных статическим выглаживанием. Износостойкость деталей после орбиталь- ного выглаживания увеличивается в 2 раза, что повышает ресурс технических изделий. Изгибная жесткость деталей, упрочненных орбитальным выглаживанием, увеличивает- ся на 15–30 %, что повышает качество деталей малой жесткости при упрочняющей об- работке. 7. Спроектировано и изготовлено опытно-промышленное устройство с дефор- мирующим инструментом для проведения орбитального выглаживания цилиндриче- ских деталей. Техническое решение защищено патентом РФ (No 2705043). Дальнейшее развитие темы исследования связано с расширением технологических возможностей установки для орбитального выглаживания и разработкой новых конструкцией для об- работки плоских поверхностей.