81 Повышение качества и производительности методов

Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Повышение качества и производительности методов комбинированного
волочения инструментом с регулярной микрогеометрией поверхности на
основе применения металлоплакирующих смазок
Гаврилов С. А. инжеер
Щедрин А. В. к.т.н., доцент, член-корреспондент академии проблем качества РФ по
отделению “Проблемы безызносности машин и механизмов”
МГТУ «МАМИ»
В работах [1, 2] рассмотрено влияние свойств технологических смазок на
характеристики метода комбинированного волочения инструментом с регулярной
микрогеометрией воздействующей поверхности.
Как показывает системный анализ методов обработки [3], применение
фундаментальных физических эффектов, к которым относится “эффект безызносности”
[4], позволяет целенаправленно создавать принципиально новые, или кардинально
совершенствовать существующие технологии.
Для проверки данного решения были проведены экспериментальные исследования
по влиянию концентрации металлоплакирующей присадки «Валена» на характеристики
метода комбинированного волочения инструментом с регулярной микрогеометрией
поверхности.
В
качестве
экспериментальных
образцов-заготовок
использовались
цилиндрические штоки из углеродистой стали марки Сталь 3 (твёрдость по Бринеллю
1430 МПа) номинальной длиной 150 мм. Образцы предварительно обрабатывались
шлифованием с точностью до 0,02 мм и шероховатостью поверхности RaЗ = 0,423…0,665
мкм.
В качестве обрабатывающего инструмента использовалась деформирующая
фильера из стали марки 9ХС (HRC 60). Диаметр фильеры по калибрующей ленточке 20,02
мм, угол рабочего и обратного конусов 50, ширина калибрующей ленточки 5 мм.
Регулярный микрорельеф рабочей поверхности фильеры представлял собой однозаходные
винтовые канавки радиусом 1,5 мм, шагом 0,5 мм, и глубиной на участке калибрующей
ленточки 6,5 мкм.
В качестве технологической смазки применялось минеральное масло марки «И40», в которое добавлялась металлоплакирующая присадка «Валена». Концентрация
присадки по объёму “К” составляла соответственно 25%, 10%, 5% и 0%. Скорость
волочения около 1 м/мин, номинальный натяг деформирования iН варьировался в
диапазоне до 0,5 мм через 0,1 мм.
На рисунке 1 представлена зависимость удельного усилия волочения от
фактического натяга деформирования iФ и концентрации металлоплакирующей присадки.
Как следует из анализа зависимости в первом приближении – металлоплакирующая
присадка уменьшает усилие обработки и при концентрации 10% и 25% полностью
исключает адгезионное наростообразование обрабатываемого материала. Наибольшая
адгезия наблюдалась при отсутствии присадки в области iН > 0,4 мм. При К=5% адгезия
обрабатываемого материала носила весьма локальный характер и возникала также при
предельной деформации.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
81
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
1 – K = 0%; 2 – K = 25%; 3 – K = 10%; 4 – K = 5%.
Рисунок 1 – Зависимость удельного усилия волочении образцов-заготовок из
углеродистой стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования и
концентрации металлоплакирующей присадки «Валена»
Аналитически графическую зависимость, показанную на рисунке 1, можно
представить в виде следующей системы линейных уравнений, Н/мм:
(1)
Для оценки динамического эффекта была использована величина относительного
процентного изменения усилия обработки:
На рисунке 2 приведена зависимость параметра
от натяга деформирования и
концентрации присадки. Из анализа зависимости следует, что максимальный
динамический эффект наблюдается при концентрации К=10%. Причём уменьшение
усилия обработки более чем на 25% стабильно сохраняется во всём диапазоне изменения
натяга деформирования.
Меньшие динамические эффекты наблюдались при К=5% и К=25%. Однако в
отличии от обработки при К=10%, обработка при вышеприведённых концентрациях
присадки характеризуется соответствующим увеличением динамического эффекта при
возрастании степени деформации.
Приравнивая параметры
в общем виде при К=10% и при К=25% получим, что
при iФ > 1,5 мм наиболее эффективна концентрация присадки К=25%, так как при ней на
рабочей поверхности фильеры образовывался наибольший по толщине слой меди.
Силовые зависимости (согласно рисункам 1 и 2) хорошо подтверждаются
зависимостью коэффициента уточнения по параметру шероховатости поверхности
(рисунок 3):
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
82
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
где
и
– соответственно параметры шероховатости поверхности образцов до и
после волочения, или условно образцов-заготовок и образцов-деталей.
1 – K = 25%; 2 – K = 10%; 3 – K = 5%.
Рисунок 2 – Зависимость процентного уменьшения удельного усилия волочения от
фактического натяга деформирования и концентрации металлоплакирующей
присадки «Валена»
1 – K = 0%; 2 – K = 25%; 3 – K = 10%; 4 – K = 5%.
Рисунок 3 – Зависимость коэффициента уточнения по параметру шероховатости
поверхности образцов-деталей из углеродистой стали марки Сталь 3 от
фактического натяга деформирования и концентрации металлоплакирующей
присадки «Валена»
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
83
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Наличие адгезионного наростообразования при К=0% и К=5% приводит к
ухудшению качества обработки и уменьшению .
Усреднив значения
при каждой концентрации присадки «Валена»
в диапазоне изменения натяга деформирования – получим зависимость среднего
коэффициента уточнения по параметру шероховатости от концентрации (рисунок 4).
Рисунок 4 – Зависимость среднего коэффициента уточнения по параметру
шероховатости поверхности от концентрации металлоплакирующей присадки
«Валена»
Анализ этой зависимости показывает, что с увеличением концентрации данной
металлоплакирующей присадки качество обработки по шероховатости поверхности
увеличивается более чем в 2 раза.
После построения характерных профилей образцов-деталей, показанных на
рисунке 5, было установлено, что размерная точность (параметр ∆ДД) определяется в
большей степени геометрической точностью в продольном, а не в поперечном сечении
(овальностью).
Рисунок 5 – Характерные профили образцов-заготовок из углеродистой стали марки
Сталь 3 при iФ ≈ 0,25 мм
В свою очередь, отклонение профиля в продольном сечении зависит от
деформационных краевых эффектов в начале (Н. О.) и в конце (К. О.) обработки, которые
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
84
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
соответственно проявляются в виде фаски смятия переднего торца образца-заготовки и в
виде упругого волнообразного восстановления его заднего торца.
Как следует из анализа зависимости, представленной на рисунке 6, с увеличением
степени деформации размерная точность ухудшается вследствие роста краевых
деформационных эффектов.
1 – K = 0%; 2 – K = 25%; 3 – K = 10%.
Рисунок 6 – Зависимость поля рассеяния диаметра образцов-деталей из углеродистой
стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования и концентрации
металлоплакирующей присадки «Валена»
Используя характерные профили образцов-деталей – определяли их средний
диаметр, который затем сравнивали с диаметром рабочего канала фильеры, таким
образом, оценивали остаточную деформацию поверхности, которая выражалась
величиной её упругого восстановления ∆В (рисунок 7).
Анализ данной зависимости показывает, что чем меньше усилие обработки, тем
больше величина упругого восстановления и наоборот. Это связано с тем, что при
увеличении усилия обработки возрастает величина сжимающих радиальных остаточных
напряжений и относительное процентное удлинение (рисунок 8).
Усредним по аналогии с зависимостью, показанной на рисунке 4, зависимости
(рисунки 6-8), представленные в таблице 1.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
85
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
1 – K = 0%; 2 – K = 25%; 3 – K = 10%.
Рисунок 7 – Зависимость величины упругого восстановления поверхности образцовдеталей из углеродистой стали марки Сталь 3 от фактического натяга
деформирования и концентрации металлоплакирующей присадки «Валена»
1 – K = 0%; 2 – K = 25%; 3 – K = 10%.
Рисунок 8 – Зависимость процентного удлинения образцов-деталей из углеродистой
стали марки Сталь 3 от фактического натяга деформирования и концентрации
металлоплакирующей присадки «Валена»
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
86
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
К, %
∆
мкм
В, мкм
Таблица 1 – Усреднённые значения
0
5
10
25
50
52
52
56
22,439
30,6
33,4
32,55
2,461
2,505
2,168
2,1836
4,038
5,2
8,58
8,9
Д,
L, %
y(Ra)
К – концентрация металлоплакирующей присадки;
∆ Д, В, L – соответственно средние по диапазону натяга деформирования и
концентрации присадки значения поля рассеяния диаметра, упругого восстановления и
относительного
удлинения
образцов-деталей;
y(Ra) –
поверхности.
средний коэффициент уточнения по параметру шероховатости
Анализ результатов таблицы ещё раз дополнительно подтверждает существенное
влияние контактных процессов на технико-экономические показатели методов обработки,
включая комбинированное волочение (редуцирование).
Таким образом, выполненные исследования расширяют информационную базу для
системного
параметрического
синтеза
[3]
принципиально
новых
методов
комбинированной деформирующе-режущей обработки [5-7].
Литература
1) Shchedrin A. V., Ul`yanov V. V., Bekaev A. A., Skoromnov V. M. Improving the
effectiveness of combined drawing methods by regularizing the microgeometry of the tool
working surface // Russian Engineering Research. Vol. 26. № 11. p. p. 35-38, 2006, Allerton
Press Inc., New-York.
2) Shchedrin A. V., Ul`yanov V. V., Bekaev A. A., Skoromnov V. M. Benefits of a draw plate
with regular microrelief // Russian Engineering Research. Vol. 28. №4. p. p. 357-361, 2008,
Allerton Press Inc., New-York.
3) Щедрин А. В. и др. Трибология как фундаментальная основа системного
проектирования конкурентоспособных технологических объектов // Ремонт,
восстановление, модернизация. – 2009, №4, c. 15-20.
4) Научное открытие, диплом №41. Эффект избирательного переноса при трении (эффект
безызносности) / Д. Н. Гаркунов, И. В. Крагельский // Открытия в СССР 1957-1967 гг. М.:
ЦНИИПИ, 1968. – c. 52-53.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
87
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
5) Shchedrin A. V., Ul`yanov V. V., Bekaev A. A., Chikhacheva N. Yu. Efficient hole broaching
with regularized surface microgeometry of deforming elements // Russian Engineering Research.
Vol. 29. №9. p. p. 911-915, 2009, Allerton Press Inc., New-York.
6) Shchedrin A. V., Ul`yanov V. V., Bekaev A. A Improving the use lubricants and coolants
fluids in machining // Russian Engineering Research. Vol. 26. №10. p. p. 38-39, 2006, Allerton
Press Inc., New-York.
7) Shchedrin A. V., Ul`yanov V. V., Bekaev A. A., Skoromnov V. M. Bauschinger effect in
complex machining methods // Russian Engineering Research. Vol. 28. №8. p. p. 797-799, 2008,
Allerton Press Inc., New-York.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
88