Параметрический анализ метода комбинированного дорнования отверстий с противодавлением технологической смазки

Язык труда и переводы:
УДК:
621.787
Дата публикации:
20 сентября 2021, 14:01
Категория:
А13. Реновационные технологии в машиностроении
Авторы
Аннотация:
С использованием основных положений адгезионно-деформационной теории трения И.В. Крагельского и алгоритмических процедур «Искусственного технологического интеллекта» выполнен сравнительный параметрический анализ трибологических характеристик инновационного метода дорнования отверстий инструментом с регулярной микрогеометрией воздействующих поверхностей в условиях самовозбуждаемого противодавления технологической смазки.
Ключевые слова:
комбинированное дорнование отверстий, регулярный микрорельеф, противодавление смазки, дорнование, триботехнологии
Основной текст труда

Системное совершенствование рецептуры и технологии применения смазывающе-охлаждающих технологических сред (COTC) является важнейшим направлением повышения эффективности современного машиностроительного производства. Оптимизация состава и способа подачи СОТС позволяет получить комплексный положительный результат по обрабатываемости, качеству и себестоимости. В ряде случаев она является единственным фактором, обеспечивающим разрешение достаточно сложных технико-экономических противоречий. Цель настоящей статьи — оценить возможности метода комбинированного дорнования отверстий с противодавлением технологической смазки.

С использованием алгоритмов «искусственного технологического интеллекта» [1–3] синтезирован метод обработки металлов давлением в условиях самовозбуждаемого истечения и противодавления СОТС в канавках, образующих регулярный микрорельеф (PMP) на воздействующей поверхности инструмента (патент РФ № 2063861).

Предложенное техническое решение было экспериментально проверено с помощью приспособления, конструкция которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема приспособления для дорнования противодавлением смазывающе-охлаждающих технологических сред

Приспособление включает стакан 1 с нижней полостью 2, предварительно заполненной СОТС, и поддержка дорна 6, которая центрирует образец-заготовку 4. Такими образцами-заготовками служили втулки из стали марки 12ХНЗА (НВ = 1710 … 2140 МПа) с наружным номинальным диаметром 39 мм и длиной 40 мм. Обрабатывающий инструмент выполняется в виде однозубого деформирующего дорна-прошивки 7, деформирующий элемент 5 которой был выполнен из стали Р6М5 с следующими геометрическими параметрами: 

  • номинальный диаметр по калибрующей ленточке 22 мм;
  • угол рабочего обратного конусов  8°±0,5°; 
  • ширина калибрующей ленточки  10 мм. 
  • регулярный микрорельеф деформирующего элемента прошивки был сформирован алмазным выглаживателем радиусом 1,5 мм в виде однозаходных винтовых канавок глубиной 7 мкм и шагом 0,5 мм. 

При перемещении инструмента его передняя направляющая 3 выдавливала СОТС из полости 2 через контакт между поверхностями заготовки и инструмента на поверхность элемента 5 и проникала в канавки рельефа, а также в очаг деформации. 

В качестве СОТС применялся сульфофрезол, скорость дорнования составляла 4 м/мин. Сравнительные данные при аналогичной обработке отверстий без противодавления СОТС взяты из работы [4].

На рис. 2 представлена зависимость силы дорнования qд, отнесенной к 1 мм длины окружности отверстия, от абсолютной фактической деформации qф с противодавлением СОТС и без противодавления. Как следует из анализа указанной зависимости, при i_{\text{ф}}<0,085 мм в условиях противодавления смазки происходит существенное уменьшение силы обработки. Это связано с самовозбуждением дросселирования сульфофрезола по Канавкам рельефа. При больших абсолютных фактических деформациях происходит перекрытие канавок обрабатываемым материалом, поэтому для истечения смазки необходимы большие энергозатраты и при i_{\text{ф}}<0,085 мм сила обработки пропорционально возрастает.

Рис. 2. Зависимость удельной силы дорнования от абсолютной фактической деформации: 1 — обработка без противодавления СОТС (сульфофрезол); 2 — обработка с противодавлением

Используя разработанные методики [1, 5–8] были проанализированы четыре контактные характеристики на рабочем конусе деформирующего элемента прошивки при обработке с противодавлением и без него: f_{\text{a}} и f_{\text{д}} —  адгезионная и деформационная компонента, соответственно, коэффициента трения скольжения; q_{\text{ф}} , q_{\text{N}} — фактическое контактное давление на вершине единичного выступа РМР поверхности инструмента, ограниченного двумя канавками, и средне контактное давление.

Приведем значения контактных давлений и составляющих коэффициента трения скольжения для различных натягов в процессе прошивания без противодавления (числитель) и с противодавлением СОТС (знаменатель) (табл. 1).

Таблица 1

Значения контактных давлений и составляющих коэффициента трения скольжения для различных натягов

Параметр

Значение

iф, мм

0,01

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

qф, МПа

1174 / 1205

2625 / 2694

3710 / 3810

4547 / 4667

5250 / 5389

5860 / 6025

fа

0,0303 / 0,019

0,0135 / 0,0085

0,0096 / 0,006

0,0078 / 0,0049

0,0068 / 0,0043

0,006 / 0,0038

fд

0,0292 / 0,0299

0,0652 / 0,067

0,0923 / 0,0948

0,113 / 0,116

0,130 / 0,134

0,146 / 0,150

qN, МПа

3153 / 3839

2368 / 3213

1882 / 2825

На рис. 3 представлены характерные осциллограммы суммарной силы дорнования с противодавлением технологической смазки.

Рис. 3. Характерные осцилограммы суммарной силы дорнования с противодавлением технологической смазки:

 1 —  i_{\text{ф}}=0,02 мм; 2 i_{\text{ф}}=0,124 мм; 3 —   i_{\text{ф}}=0,221 мм; 4 — i_{\text{ф}}=0,335 мм

Осциллограмма 1 на рис. 3 соответствует свободному истечению смазки по канавкам регулярного микрорельефа. Осциллограммы 2 и 3 имеют ярко выраженные пульсационные пики, соответствующие переходному процессу с чередующимися перекрытием и открытием канавок регулярного микрорельефа. Осциллограмма 4 соответствует повышенным энергозатратам для раскрытия канавок и истечения смазки.

Из приведенных данных видно, что при использовании противодавления СОТС повышается контактное давление, но существенно уменьшается крайне негативная адгезионная компонента коэффициента трения скольжения.

Последнее обстоятельство повышает качество поверхности и стойкость инструмента, особенно при обработке вязких материалов [9]. Частичным доказательством первого является зависимость коэффициента уточнения по параметру шероховатости K_{\text{y}}(Ra) , представляющего собой отношение параметров шероховатостей Ra до и после дорнования, от наличия СОТС (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость коэффициента уточнения по параметру шероховатости поверхности отверстия от абсолютной фактической деформации: 1 — обработка без противодавления СОСТ (сульфофрезол); 2 — обработка с противодавлением

Соотношение контактных давлений q_{\text{ф}} и q_{\text{N}} позволяют оценить соотношение фактической A_{\text{ф}} и номинальной A_{\text{H}}  площадей контакта отверстия заготовки и инструмента:

\left({\frac {q_{\text{ф}}}{q_{N}}}\right)=\left({\frac {A_{\text{Н}}}{A_{\text{ф}}}}\right) .

Дополнительно могут быть оценены удельные фактическая \tau _{\text{ф}} и номинальная \tau _{\text{H}}  силы трения:

\left\{{\begin{aligned}\tau _{\text{ф}}=f\cdot q_{\text{ф}}\\\tau _{H}=f\cdot q_{N}\end{aligned}}\right. .

 

Другой этап параметрического анализа включает оценку адгезионной и деформационной составляющей суммарной силы дорнования [10].

Для этого на основании общего решения А.Л. Воронцова в целях совмещенного дорнования — регулирования при нулевой деформации наружной поверхности полой цилиндрической заготовки — получена математическая модель сил дорнования ее отверстия инструментов с регулярной микрогеометрией воздействующих поверхностей в условии самовозбуждающегося противодавления технологических смазок:

\left\{{\begin{aligned}q_{\text{д}}^{T}=1,155\cdot {\overline {\sigma }}_{s}\cdot \left[\left(1+{\frac {f}{sin(\alpha )}}\right)\cdot ln\left({\frac {D_{\text{з.н}}-D_{\text{з.в}}}{D_{\text{з.н}}-D_{\text{л}}}}\right)+{\frac {sin(\alpha )}{1+cos(\alpha )}}{\frac {2\cdot L_{\text{л}}\cdot D_{\text{л}}}{(D_{\text{з.н}}^{2}-D_{\text{з.в}}^{2})}}\right]\cdot {\frac {D_{\text{з.н}}^{2}-D_{\text{з.в}}^{2}}{4\cdot D_{\text{л}}}}\\F_{\text{д}}^{T}=\pi \cdot q_{\text{д}}^{T}\cdot D_{\text{л}}^{T}\end{aligned}}\right.,

 

где q_{\text{д}}^{T} — теоретическая (погонная) сила дорнования, {\frac {H}{\text{мм}}} ; {\overline {\sigma }}_{s} — среднее по очагу деформации напряжение элемента дорна; f — коэффициент трения скольжения; α — угол рабочего конуса деформирующего элемента дорна, град; D_{\text{з.н}} — наружный диаметр полой цилиндрической заготовки, мм; D_{\text{з.в}} —  внутренний диаметр полой цилиндрической заготовки, мм; D_{\text{л}} — диаметр деформирующего элемента дорна по калибрующей ленточке, мм; L_{\text{л}} — ширина калибрующей ленточки деформирующего элемента дорна, мм; F_{\text{л}}^{T} — теоретическая суммарная сила формирования, Н.

В табл. 2 показаны значения теоретической (расчетной) удельной силы дорнования с противодавлением (зависимость 2 на рис. 2).

Сопостовляя данные (см. табл. 2), видно, что в диапазоне i_{\text{ф}}=0,05...0,25 мм относительная погрешность теоретической (расчетной) и экспериментальной удельной силы дорнования \Delta q_{\text{д}}=\left[{\frac {q_{\text{д}}^{\text{э}}-q_{\text{д}}^{\text{T}}}{q_{\text{д}}^{\text{э}}}}\cdot 100\%\right]   соответствует –0,027… –8,08 %.

О высокой точности математической модели говорят аппроксимированные зависимости удельной силы, близкие коэффициенты регрессии:

q_{\text{д}}^{T}=216,48+2314,7\cdot i_{\text{ф}}

q_{\text{д}}^{\text{э}}=230,26+2021,42\cdot i_{\text{ф}} .

Следующим этапом развития данной технологии является варьирование параметров и характера микрогеометрии воздействующих поверхностей деформирующего элемента дорна — прошивки, для этого в качестве технологической смазки использовали  сульфофрезол, обрабатываемый материал — латунь ЛС59-1 (НВ = 1550 Мпа). Скорость дорнования составляла 4 м/мин.

Таблица 2

         Исходные данные для расчета теоретической силы дорнования

Параметр

Значение

iф, мм

0,05

0,15

0,25

Dз.н, мм

39

39

39

Lз, мм

40

40

40

Dз.в, мм

21,95

21,85

21,75

Dл, мм

22

22

22

α, град

8

8

8

Lл, мм

10

10

10

fа

0,0190

0,0049

0,0038

fд

0,0299

0,1160

0,1500

f

0,0489

0,1210

0,1538

{\bar {\sigma }}_{s}

{\bar {\sigma }}_{s}

{\bar {\sigma }}_{s}

{\bar {\sigma }}_{s}

{\bar {\sigma }}_{s} , МПа

249,69

310,86

344,15

  q_{\text{д}}^{\text{т}}

q_{\text{д}}^{\text{т}}

q_{\text{д}}^{\text{т}}

q_{\text{д}}^{\text{т}}

q_{\text{д}}^{\text{т}}

q_{\text{д}}^{\text{т}} , (Н/мм)

332,20

563,68

795,10

q_{\text{д}}^{\text{э}}

q_{\text{д}}^{\text{э}}

q_{\text{д}}^{\text{э}}

q_{\text{д}}^{\text{э}}

q_{\text{д}}^{\text{э}}

q_{\text{д}}^{\text{э}} , (Н/мм)

331,20

533,47

735,60

Δqд, %

–0,27

–5,66

–8,08

Наружный диаметр образцов-заготовок D_{\text{з.н}}=39 мм, длина L_{\text{з}}=40 мм, i_{\text{ф}}=0,1...0,5 мм, α = 5°, L_{\text{л}}=7 мм, D_{\text{л}}=20 мм.

Удельная (погонная) сила дорнования представлена следующими зависимостями:

  • дорнование без противодавления:

\left\{{\begin{aligned}q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}={\text{Ш}}_{\text{к}}=0)=28,87+568,64\cdot i_{\text{ф}}\\q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}=20{\text{мкм}},{\text{Ш}}_{\text{к}}=0,5{\text{мм}})=105,4+528,84\cdot i_{\text{ф}}\\q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}=8{\text{мкм}},{\text{Ш}}_{\text{к}}=1{\text{мм}})=35,12+744,67\cdot i_{\text{ф}}\\q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}=20{\text{мкм}},{\text{Ш}}_{\text{к}}=1{\text{мм}})=145,81+790,86\cdot i_{\text{ф}}\end{aligned}}\right.; (7)

  •  дорнование с противодавлением:

\left\{{\begin{aligned}q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}=8{\text{мкм}},{\text{Ш}}_{\text{к}}=0,5{\text{мм}})=65,19+795\cdot i_{\text{ф}}\\q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}=20{\text{мкм}},{\text{Ш}}_{\text{к}}=0,5{\text{мм}})=241,28+771,56\cdot i_{\text{ф}}\\q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}=8{\text{мкм}},{\text{Ш}}_{\text{к}}=1{\text{мм}})=90,89+749,62\cdot i_{\text{ф}}\\q_{\text{д}}^{\text{э}}({\text{Г}}_{\text{к}}=20{\text{мкм}},{\text{Ш}}_{\text{к}}=1{\text{мм}})=206,34+896,01\cdot i_{\text{ф}}\end{aligned}}\right..   (8)

      

В данном случае регулярный микрорельеф инструмента выполнялся аналогично в виде однозаходных винтовых канавок радиусом 1,5 мм, глубиной на участки калибрующей ленточки Гк 8 и 20 мкм и шагом Шк  0,5 и 1 мм. Нулевые параметры регулярного микрорельефа условно соответствуют иррегулярному микрорельефу, полученному шлифованием и полированием. Оптимальным методом дорнования отверстий в поступательных образцах–заготовках — обработка с противодавлением инструментом с параметрами регулярной микрогеометрии Гк = 8 мкм и шагом Шк = 0,5 мм. При этом аналогично стали 12ХН3А (рис. 2) свободное истечение смазки происходит до i_{\text{ф}}<0,15 мм.

Другим перспективным направлением развития методов дорнования отверстий инструментов с регулярной микрогеометрией поверхности будет являться применение современных металлоплакирующих смазок, реализующих фундаментальное научное открытие эффект безызносности при трении Гаркунова — Крагельского [7, 8]. Полученные результаты позволили синтезировать методы волочения с противодавлением (патенты РФ №№ 2560475, 2593062).

Выполненные исследования позволили синтезировать высокоэффективный метод дорнования отверстий в заготовках класса «полые цилиндры» (изделие поршневой палец дизеля, годовая программа выпуска изделий 1,6 млн штук) [9]. Полученная информация обеспечит расширение информационных баз [3], алгоритмических процедур «искусственного технологического интеллекта» [2–4] и фундаментального направления «трибология на основе самоорганизации» [1, 6–8] для системного синтеза инновационных методов дорнования [10].

Литература
  1. Щедрин А.В., Таненгольц А.Б., Егорова З.И., Скоромнов В.М., Горшков В.Б. Трибологичекая концепция системного анализа-синтеза комбинированных методов деформирующе-режущей обработки // Техника машиностроения. 2001. № 4 (32). С. 53–59.
  2. Щедрин А.В., Кострюков А.А., Чихачева Н.Ю. Искусственный технологический интеллект как идеологическая основа всеобщий системы методов обработки материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 6. С. 20–26.
  3. Щедрин А.В., Игнаткин И.Ю., Чихачева Н.Ю. Системное формирование информационных баз данных характеристик методов обработки для реализации алгоритмических процедур искусственного технологического интеллекта // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 10. С. 444–451.
  4. Максимов А.Д., Якухин В.Г. Методы обработки: теория содержания и практика применения // Ремонт, восстановление, модернизация. 2018. № 4. С. 17–22.
  5. Щедрин А.В., Игнаткин И.Ю., Бугаев А.М., Чихачева Н.Ю. Исследование характеристик силовой динамики методов комбинированного дорнования отверстий инструментом с регулярной микрогеометрией поверхности // Упрочняющие технологии и покрытия 2020. Т. 16. № 8. С. 360–364.
  6. Щедрин А.В., Алешин В.Ф., Бодарева А.В., Климочкин К.О., Поляков А.О., Косарев И.В. Формулы для прогнозирования силы комбинированного дорнования отверстий инструментом с регулярной микрогеометрией поверхности в условиях применения металлоплакирующих смазок // Сборка в машиностроении, приборостроении 2017. № 11. С. 518–522.
  7. Щедрин А.В., Климочкин К.О., Бекаев А.А. Математическая модель для прогнозирования сил волочения сплошных цилиндрических заготовок с модифицированным поверхностным слоем // Вестник машиностроения 2019. Т. 20. № 2. С. 71–76.
  8. Щедрин А.В., Бекаев А.А., Игнаткин И.Ю. Влияние состава металлоплакирующей смазки и технологии ее применения на контактные характеристики методов комбинированного дорнования отверстий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. Т. 16. № 11. С. 504–510.
  9. Щедрин А.В., Таненгольц А.Б. Совершенствование характеристик инструмента для деформирующе-выглаживающего прошивания отверстий // Машиностроитель. 2002. № 11. С. 20–23.
  10. ЩедринА.В., Алешин В.Ф., Бугаев А.М. Теоретико-экспериментальное исследование и совершенствование методов дорнования отверстий инструментом с регулярной микрогеометрией поверхности в условиях противодавления технологических смазок // Упрочняющие технологии и покрытия. 2019. Т. 15. № 11. С. 501–505.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.