Технологические возможности комбинированного дорнования отверстий в неравножестких заготовках типа диска

Язык труда и переводы:
УДК:
621.787
Дата публикации:
17 сентября 2021, 13:18
Категория:
А13. Реновационные технологии в машиностроении
Авторы
Бекаев Андрей Анатольевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Бурлакова Татьяна Александровна
МОУ «Ликино-Дулевская гимназия»
Чихачева Надежда Юрьевна
ОИТ МОО «Академия проблем качества»
Аннотация:
Приведены результаты сравнительного исследования технологических возможностей метода комбинированного, деформирующе-режущего, дорнования отверстий по схеме прошивания в неравножестких заготовках типа диска, применяемого вместо стандартной технологии режущего протягивания на горизонтально-протяжных станках. Показана эффективность реализации метода комбинированного дорнования отверстий в неравножестких заготовках типа диска на вертикально-гидравлических прессах сборной деформирующе-режуще-выглаживающей дорном-прошивкой вместо составной (сварной) режущей протяжки. Установлены оптимальные характеристики способа воздействия на обрабатываемый материал и обрабатывающего инструмента. Рекомендованы направления дальнейшего совершенствования в виде регуляризации микрогеометрии воздействующих поверхностей режущих элементов сборных дорнов-прошивок и различных технологий применения современных металлоплакирующих смазок, реализующих фундаментальное научное открытие эффекта безызносности при трении Гаркунова — Крагельского.
Ключевые слова:
комбинированное дорнование отверстий, сборная дорн-прошивка, регулярный микрорельеф, качество обработки, металлоплакирующая смазка, неравножесткие заготовки типа диска
Основной текст труда

Типовая технология изготовления насадных зубчатых колес предполагает точную (7–8-й квалитет) обработку отверстия в неравножестких заготовках типа диска, являющуюся конструкторской, технологической и сборочной базой [1].

Цель настоящей статьи — провести производственную оценку технологических возможностей метода комбинированного дорнования отверстий в заготовках класса типа диска с переменной толщиной стенки на примере конической шестерни.

Комплексное решение проблемы обработки таких отверстий в условиях крупносерийного и массового производства возможно с применением алгоритмических процедур искусственного технологического интеллекта [2–7], позволяющих системно синтезировать инновационные методы комбинированного, деформирующе-режущего дорнования отверстий, которые реализуются по схеме прошивания [8–10].

На рис. 1 показана деталь-представитель в виде конической шестерни, заготовкой которой является горячая штамповка из стали 18ХГТ (160–207 НВ).

Рис. 1. Деталь-представитель в виде прямозубой конической шестерни

По базовой технологии отверстия в заготовке шестерни обрабатывали сверлами диаметром 34,5 и 34,6 мм, а затем протягивали режущей сварной протяжкой на горизонтально-протяжном станке в диаметр 35,66Н7. Статистический анализ базовой технологии представлен в табл. 1.

Таблица 1

Статистический анализ базовой технологии обработки отверстия шестерни

Метод обработки отверстия

Поле рассеяния диаметра отверстия шестерни, мм, с сечением типа

Поле рассеяния шероховатости поверхности отверстия Ra, мкм

I

II

III

Сверление

 

34,72–35,07

 

34,60–34,81

 

34,60–34,83

 

3,4–9,8

сверло 34,5 мм

сверло 34,6 мм

34,57–35,95

34,63–35,26

34,58–35,33

6,2–10,2

Режущее протягивание

35,62–35,71

35,70–35,76

35,68–35,77

3,0–7,0

В результате разбивки отверстия после сверления зубья режущей протяжки работают с переменной толщиной срезаемого слоя по периметру отверстия, что приводит к их неравномерной деформации и, соответственно, ухудшению размерно-геометрической точности и большому браку.

На рис. 2 представлен первый конструкционный вариант сборного дорна-прошивки. Как показали испытания прошивки первого конструкционного варианта, шероховатость поверхности отверстия составила Ra = 2,2...10,2 мкм, силы на режущих элементах 1Р, 2Р и 1КР были сопоставимы с суммарным усилием режущего протягивания [10]. Причина заключается в том, что деформирующие элементы этой прошивки не разупрочняют, а еще более укрепляют поверхностный слой отверстия перед последующим режущим воздействием.

Рис. 2. Конструктивные варианты сборного дорна-прошивки

Исключив черновой режущий элемент 1Р, получим второй конструкционный вариант прошивки: 1Д5, 2Д5, 3Д5, 4Д0, 2Р0, 1КР. Здесь показатель степени соответствует толщине дистанционных колец между элементами (в мм), на поверхности элементов 1Д-4Д нанесен иррегулярный микрорельеф (ИМР).

В табл. 2 приведены параметры качества поверхностного слоя отверстий, обработанных такой прошивкой.

Таблица 2

Статистический анализ качества обработки отверстия шестерни

конструкционными вариантами комбинированного дорна-прошивки

Метод обработки отверстия

Поле рассеяния диаметра отверстия шестерни, мм,
с сечением типа

Поле рассеяния шероховатости поверхности отверстия Ra, мкм

I

II

III

Прошивание

1Д(ИМР)5, 2Д(ИМР)5, 3Д(ИМР)5, 4Д(ИМР)0, 2Р0, 1КР

1Д(ИМР)5, 2Д(РМР)5, 3Д(РМР)5, 4Д(РМР)5, 5Д(ИМР)0, 2Р0, 1КР0, 2КВ(ИМР)

Распрессовка с токарной оправкой

 

35,65–35,86

35,64–35,71

 

35,65–35,74

 

35,67–35,78

35,67–35,71

 

35,66–35,76

 

35,68–35,76

35,66–35,70

 

35,65–35,76

 

0,7–3,5

0,21–1,65

 

В [10] представлены сравнительные динамические характеристики прошивок обоих вариантов. Повышение качества и улучшение обрабатываемости резанием объясняется разупрочнением поверхностного слоя предварительным четырехцикловым деформированием. Кроме того, возросла точность отверстия — разброс диаметра после прохождения элемента 4Д составил 35,52-35,64 мм.

При испытании второго варианта прошивки был выявлен низкий охлаждающий эффект сульфофрезола (средняя объемная температура инструмента после обработки 60 заготовок составляла 70...80 ºС), который плохо смывал с прошивки частицы окалины, вызывающие абразивное изнашивание и интенсифицирующие тепловыделение. Высокая температура приводила к разрыву смазочной пленки сульфофрезола и адгезии материала заготовки на деформирующих элементах. Поэтому сульфофрезол заменили эмульсолом, а на деформирующие элементы нанесли регулярный микрорельеф (РМР) в виде кольцевых канавок радиусом 1,5 мм с шагом 0,5 мм, глубиной 7 мкм. Кроме того, для разгрузки секций 2Р и 1КР в конструкцию прошивки введен пятый деформирующий элемент (5Д), для повышения качества и стойкости — второй калибрующий выглаживающий (2КВ) [9].

После окончательной оптимизации использовали критерии заданного качества отверстия шестерни и минимально возможного усилия обработки на наиболее изнашиваемых режущих элементах 2Р и 1КР. Полностью годные детали получены прошивкой оптимального варианта (см. рис. 2, рис. 3, см. табл. 2): 1Д (ИМР)5, 2Д(РМР)5, 3Д(РМР)5, 4Д(РМР)5, 5Д(ИМР)0, 2Р0, 1КР0, 2КВ(ИМР), что подтверждается комплексным контролем калибром-пробкой и стабильным припуском под окончательное шлифование отверстия диаметром 36Н7 после токарной обработки (см. табл. 2), зубонарезания и закалки зубьев.

Рис. 3. Параметры качества поверхности отверстия шестерни после операций режущего протягивания (слева) и деформирующе-выглаживающего прошивания (справа)

Выполненные исследования позволят существенно повысить стойкость рабочих элементов инструмента [9, 11]; сократить производственные площади путем замены горизонтально-протяжного станка (рис. 4, а) вертикальным гидравлическим прессом (рис. 4. б); повысить производительность обработки за счет сокращения длины инструмента (4, а, в): оперативно заменять поломанные и повторно использовать изношенные рабочие элементы; автоматизировать обработку.

Рис. 4. Базовый метод обработки отверстия шестерен режущим протягиванием (а), общий вид прошивочного модуля для реализации метода деформирующе-режуще-выглаживающего дорнования на базе вертикального гидравлического пресса (б), рабочая зона прошивочного модуля (в)

Дальнейшее системное совершенствование синтезированного метода комбинированного дорнования будет включать: регуляризацию микрогеометрии поверхности режущих элементов (патент РФ №2261781); использование различных технологий применения инновационных металлоплакирующих смазок, реализующих фундаментальное научное открытие эффекта безызносности при трении Гаркунова — Крагельского [12].

Другим направлением развития первично синтезированного комбинированного дорна-прошивки (см. рис. 2) будет являться целенаправленное совершенствование характеристик рабочих элементов инструмента на основании системно сформированной информационной базы [4].

Так, для увеличения прочности деформирующих элементов (см. рис. 2), осуществляющих опережающее пластическое деформирование [11] необходимо применять их симметрично нагруженную конструкцию [4, с. 446], когда распределенная радиальная нагрузка на каждый деформирующий элемент расположена на одинаковых расстояниях от его торцов. Дополнительно, установка такого деформирующего элемента на прошивной технологической оправке без зазора — с натягом и последующее нагружение элемента по торцам с помощью фиксирующих гаек (см. рис. 2) [4, с. 450] обеспечит при эксплуатации инструмента в процессе дорнования всесторонне сжатие с существенным увеличением статической и усталостной прочности. Для исключения повышенного расхода дорогостоящих инструментальных материалов целесообразно применять составную конструкцию деформирующих и выглаживающих элементов (патент РФ № 2303507). При этом корпус такого элемента [4, с. 448] выполнен из конструкционной стали, имеющей меньшую стоимость. На корпусе выполнен эвольвентный желоб для наплавки инструментального материала.

Как показали исследования с помощью поляризационно-оптического метода на прозрачных моделях такого элемента, эвольвентный профиль наплавочного желоба обеспечивает наибольшую прочность соединения корпуса и инструментальной наплавки. Для дополнительного увеличения прочности на сдвиг на поверхности наплавочного желоба выполнен РМР в виде радиусных или эвольвентных канавок. Износостойкость инструментальной наплавки также может быть увеличена, если на ней последовательно выполнить РМР и нанести пленочное тепло- и износостойкое покрытие, например, из нитрида титана (патент РФ № 2560477). Причем толщина покрытия меньше, чем глубина канавок РМР, выступы которого имеют продольный и поперечный радиусы кривизны при своих вершинах порядка 500...2000 мкм, что исключает концентрацию напряжений в покрытии и его быстрое разрушение.

Нанесение тепло- и износостойкого покрытия снижает контактную температуру при высокоскоростном дорновании и нейтрализует образование адгезионного нароста обрабатываемого материала. Применение деформирующих элементов с глубиной канавок РМР 17...20 мкм позволяет реализовать параллельное воздействие на обрабатываемый материал микрорезанием [4, с. 448], на наличие которого указывает образующаяся микростружка. Более глубокие канавки такого РМР аккумулируют значительные объемы технологической смазки, существенно снижающей трение, износ и адгезионное наростообразование.

Микрорезание эффективно удаляет оксидные пленки и формирует оптимальную текстуру поверхностного слоя отверстия под последующее макрорезание элементами 2Р и 1КР. Применение деформирующих элементов с винтовым расположением воздействующих поверхностей [4, с. 448] обеспечивает плавное взаимодействие с обрабатываемым отверстием на стадии опережающего пластического деформирования [11]. Дополнительно винтовой макро канал таких деформирующих элементов, свободно сообщающийся с внешней средой, обеспечивает свободное поступление технологической смазки в очаг деформации, минимизируя силы трения и контактные температуры.

Эффект от применения в конструкции комбинированных дорнов-прошивок (см. рис. 2) таких деформирующих элементов с правым и левым направлением винтовых воздействующих поверхностей позволяет реализовать фундаментальный физический эффект Баушингера, заключающийся в снижении сопротивления пластической деформации при изменении ее знака. Параллельное микрорезание РМР с глубиной канавок 17...20 мкм и последующее микрорезание элементами 2Р и 1КР, также будет реализовано в условиях данного физического эффекта.

Для исключения овальности отверстия на стадии выглаживания элемент 2КВ рекомендуется выполнять сферической формы [4, с. 446], так как любое «сечние не под прямым углом к продольной оси элемента» сечение сферы — окружность.

Относительный перекос отверстия заготовки и дорна-прошивки может произойти под действием значительных сил дорнования в его процессе за счет неравномерного контакта заготовки с установочной поверхностью опоры вертикального гидравлического пресса [8]. Эффект Баушингера может быть интенсифицирован за счет применения винтовых режущих элементов 2Р и 1КР, упрочненных РМР.

Для компенсации износа в конструкции комбинированного дорна-прошивки можно использовать регулируемые выглаживающие элементы (а.с. СССР №№ 366036, 579077), дополнительно упрочненные РМР [4, с. 448]. Окончательная оптимизация [2, 3, 6] представленного метода дорнования может быть выполнена путем системного синтеза эффективного прессового оборудования с улучшенными характеристиками привода главного движения инструмента [5]. Полученные результаты и перспективные прогнозы расширяют возможности алгоритмических процедур «искусственного технологического интеллекта» и фундаментального направления «трибология на основе самоорганизации» [2–8].

Литература
  1. Производство зубчатых колес: справочник / под общ. ред. Б.А. Тайца. М.: Машиностроение, 1990. 464 с.
  2. Щедрин А.В., Кострюков А.А. Чихачева Н.Ю. Искусственный технологический интеллект как идеологическая основа всеобщей системы методов обработки материалов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 6. С. 20–26.
  3. Щедрин А.В., Таненгольц А.Б., Егорова З.И., Скоромнов В.И., Горшков В.Б. Трибологическая концепция системного анализа-синтеза методов деформирующе-режущей обработки // Техника машиностроения. 2001. № 4 (32). С. 53–59.
  4. 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. № 10. С. 444–451. DOI: 10.36652/1813-1336-2020-16-10-444-451
  5. Бекаев А.А., Щедрин А.В., Скоромнов В.М. Улучшение геометрических параметров качества обрабатываемой поверхности детали в процессе прошивания на основе усовершенствования конструкции режущих зубьев инструмента // Машиностроитель. 2009. № 8. С. 26–32.
  6. Максимов А.Д., Якухин В.Г. Методы обработки: теория содержания и практика применения // Ремонт, восстановление, модернизация. 2018. № 4. С. 17–22.
  7. Кузнецов В.А. Методология оптимизации способа механического воздействия на обрабатываемый материал и расчет его основных параметров // Ремонт, восстановление, модернизация. 2018. № 3. С. 33–37.
  8. Щедрин А.В. Улучшение статических характеристик комбинированного прошивания отверстий // Тракторы и сельхозмашины. 1997. № 12. С. 31–32.
  9. Щедрин А.В., Таненгольц А.Б. Совершенствование характеристик инструмента для деформирующе-выглаживающего прошивания отверстий // Машиностроитель. 2002. № 11. С. 20–23.
  10. Shchedrin A.V., Agapov V.A., Morozova N.V. Precision holes broaching in non-equirigid workpieces // Russian Engineering Research. 1996. Vol. 16. No. 10. Pp. 78–82.
  11. Ярославцев В.М. Резание с опережающим пластическим деформированием. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 46 с.
  12. Щедрин А.В., Бекаев А.А., Игнаткин И.Ю., Онищенко Д.О., Чихачева Н.Ю. Влияние состава металлоплакирующей смазки и технологии ее применения на контактные характеристики методов комбинированного дорнования отверстий // Упрочняющие технологии и покрытия. 2020. № 11. C. 504–510. DOI: 10.36652/1813-1336-2020-16-11-504-510
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.