2014-02-17
1607
Рис. 10.1. Процесс обработки заготовки на любой операции
Рис. 10.2. Структурная схема воздействия различных факторов на заготовку при обработке и на готовую деталь при эксплуатации:
1, 2, 3, 4 и 5, 6, 7, 8 —соответственно кинематическое, силовое, температурное, химическое воздействие на обрабатываемую заготовку при изготовлении и готовую деталь при эксплуатации
3.1 - величиной снимаемого или пластически деформируемого поверхностного слоя;
3.2 - СОТС;
3.3 - временем воздействия температуры;
4.1 - материалом рабочей части инструмента;
4.2 - СОТС;
4.3 - величиной снимаемого слоя или пластически деформируемого поверхностного слоя;
4.4 - временем протекания химического процесса при обработке;
5.1 - формой и размерами сопрягаемой поверхности;
5.2 - макроотклонением, волнистостью и шероховатостью сопрягаемой поверхности;
5.3 - кинематикой и скоростью взаимного перемещения сопрягаемых поверхностей;
6.1 - формой и размерами сопрягаемой поверхности;
6.2 - макроотклонением, волнистостью и шероховатостью сопрягаемой поверхности;
6.3 - рабочей нагрузкой на деталь при эксплуатации;
7.1 - температурой окружающей среды в процессе сборки и эксплуатации;
7.2 - промежуточной средой (смазкой);
7.3 - рабочими нагрузками;
8.1 - физико-механическими свойствами поверхностного слоя сопрягаемой детали;
8.2 - промежуточной средой (смазкой);
8.3 - температурой окружающей среды;
8.4 - временем контактного взаимодействия.
Это говорит о необходимости целенаправленного кинематического, силового, температурного и химического воздействия на детали при изготовлении, исходя из их дальнейшего функционального назначения.
Подтверждением этой концепции являются поверхности трения деталей, финишную обработку которых можно рассматривать как процесс приработки, обеспечивающий их равновесное состояние.
При эксплуатации отдельные участки одной и той же рабочей поверхности имеют различное механическое, физическое и химическое воздействие, что сказывается на их долговечности. Это относится к;
- цилиндрическим, сферическим и криволинейным поверхностям трения (под¬шипники скольжения, чашки дифференциала заднего моста автомобиля, кулачки рас¬предвалов, рабочие поверхности зубьев и др.);
- цилиндрам двигателей, цилиндрическим и коническим подшипникам качения;
- рабочим поверхностям катания железнодорожных рельсов и колес;
- резьбовым соединениям;
- рабочим поверхностям режущих и деформирующих инструментов и т.д.
Большинство деталей машин, их соединений и инструментов работают при изменяющихся условиях эксплуатации (скорости, нагрузки, температуры). Рабочие поверхности трения таких деталей и инструментов должны обладать быстрой прирабатываемостью. Естественно, что для повышения долговечности таких деталей, соединений и инструментов необходимо при изготовлении обеспечить различные эксплуатационные показатели, а в большинстве случаев создавать новые поверхностные слои, обладающие быстрой прирабатываемостью. Все это ставит задачу целенаправленного системного совершенствования существующих и разработки новых методов обработки деталей машин, исходя из их функционального назначения.
Совершенствование существующих методов обработки, как правило, происходит случайно, а иногда исходя из поставленной задачи. Так, придание дополнительно осциллирующего движения рабочему шарику при накатывании позволило получить новый метод обработки - вибронакатывание. Пропускание тока через зону контакта «рабочий ролик-заготовка» при накатывании привело к открытию электромеханической обработки.
Затруднения с механической обработкой резанием труднообрабатываемых материалов, а также необходимость повышения производительности труда привели к комбинированным методам обработки. Совершенствование существующих технологий обработки деталей зачастую происходит из необходимости повышения их долговечности. Так, цилиндрические и конические ролики подшипников качения для предотвращения их разрушения по краям необходимо обрабатывать с эксплуатационным распределением давлений вдоль образующей (рис. 10.3). Это позволяет обеспечить шлифование роликов бесконечной лентой. В результате такого шлифования ролики приобретают бочкообразную форму, которая при эксплуатации дает почти равномерное распределение давления вдоль образующей ролика (рис. 10.3, б). Правильный расчет условий обработки (ширина и натяжение ленты, радиальная сила) позволяет получить форму ролика, обеспечивающую практически равномерное распределение давления вдоль образующей при его эксплуатации. Аналогично обстоит дело и с подшипниками скольжения, но в данном случае неравномерность давления при эксплуатации возникает как вдоль образующей, так и по дуге контакта. Избежать этого можно отделочно-упрочняющей обработкой ППД поверхности трения подшипника при закономерно изменяющемся рабочем давлении.
Для обеспечения равномерности износа отдельных участков поверхностей трения чашек дифференциала и кулачков распредвалов можно применять электромеханическую обработку (ЭМО) с закономерно изменяющейся силой тока. Это позволяет получить поверхности трения с закономерно изменяющейся степенью упрочнения, обеспечивающей равномерный износ I при различных давлениях и скоростях:
где - степень упрочнения поверхностного слоя; - исходная твердость обрабатываемой заготовки; v - скорость обработки, м/мин; Р - рабочее усилие при ЭМО, Н.
Рис. 10.3. Распределение рабочих давлений вдоль образующей при контакте ролика и поверхности катания:
а - при цилиндрической форме; 6 - при бочкообразной форме.
Из полученного уравнения следует, что воздействие на степень упрочнения может быть осуществлено не только через силу тока, но и через скорость и давление, т.е. те же факторы, которые при эксплуатации вызывают различную интенсивность износа. Это еще раз подтверждает правильность выдвинутой гипотезы о единстве процессов силового, температурного и другого воздействия на рабочие поверхности деталей как при их изготовлении, так и при эксплуатации.
Так как эти детали работают при постоянно изменяющихся режимах, необходимо, чтобы их поверхности обладали быстрой прирабатываемостью. Это лучше обеспечивается, если поверхности имеют чередующиеся мягкие и твердые участки. Получить такую поверхность можно, если току придать импульсный характер. Так появилась импульсная ЭМО.
Различные участки рабочих поверхностей зубьев, наряду с тем, что они работают при различных условиях, должны также обеспечивать совершенно разные эксплуатационные свойства. Так, у их основания должно обеспечиваться сопротивление усталости, на участке у делительной окружности - контактная прочность, на остальных участках боковой поверхности - износостойкость. Это характерно особенно для силовых зубчатых передач. Очевидно, что принятые технологии обработки боковых поверхностей зубьев (фрезерование и шлифование) не могут обеспечить выполнение таких условий. Это может быть обеспечено целенаправленным изменением силового и температурного воздействий на обрабатываемую поверхность зуба, что реализуется через комбинированную обработку ППД и ЭМО, которая требует целенаправленной разработки, как инструмента, так и оборудования.
Анализ износа цилиндров двигателей показал, что они имеют наибольший износ в верхней части. Эта, очевидно, объясняется повышенными температурами в этой части цилиндров при их эксплуатации, которая при недостаточной маслоемкости поверхности может приводить к явлениям схватывания, особенно в начальный период приработки. Для избегания этого вредного явления на цилиндрах двигателей целесообразно сформировать вибронакатыванием маслоемкие карманы. Величина этих карманов по длине цилиндра должна быть различной, что обеспечивается закономерно изменяющимися режимами обработки: частотой колебаний и усилием рабочего шарика вибронакатного устройства.
Обработка внутренних резьба в алюминиево-кремнистых сплавах связана со значительными трудностями. Резание затруднено вследствие вязких свойств материала, а пластическое деформирование — его хрупкостью. Все это привело к необходимости комбинированной обработки и разработке специального инструмента, обеспечивающего при обработке благоприятные условия резания и пластического деформирования, что позволило значительно повысить производительность обработки и качество резьбы.
Рабочие поверхности вырубных пуансонов, как и других инструментов, работают в различных условиях. Основную нагрузку несет режущая кромка, которая должна обладать повышенной поверхностной динамической прочностью и износостойкостью. Для обеспечения благоприятных условий резания и достаточной поверхностной динамической прочности режущая кромка вырубных пуансонов должна иметь оптимальный радиус скругления, что обеспечивается его виброобработкой. Для повышения поверхностной динамической прочности и износостойкости вырубных пуансонов их рабочая кромка должна быть легирована материалами, обеспечивающими это, что осуществляется лазерным легированием.
Изучение взаимодействия рабочей части режущего инструмента и обрабатываемой детали показывает на возможность частичного или полного перевода процесса резания к пластическому деформированию. Это в значительной мере расширяет возможности совершенствования обычных методов механической обработки.
Научно обоснованное определение требуемых величин воздействующих факторов или их соответствующего изменения, исходя из функционального назначения детали, позволит создавать оптимальные технологии их производства, эксплуатации и ремонта.
Новизна методов обработки определяется всеми компонентами технологической системы: станком, технологической оснасткой, процессом формообразования поверхностного слоя детали. Каждый из компонентов может иметь собственную новизну или же создавать новизну системы в целом за счет определенного нетрадиционного сочетания известных компонентов.
При проектировании новых методов обработки и технологических процессов необходимо использовать как накопленный опыт, так и новый системный подход, базирующийся на единстве технологии проектирования, производства и эксплуатации изделий машиностроения. Так, накопленный опыт по механической, физической и химической обработке позволил создавать комбинированные методы обработки: резание - ППД; ППД - резание; ППД - резание - ППД; резание в химических средах; химикомеханическое полирование; механическая обработка с наложением ультразвука и т.д. Необходимость строгого управления силой и количеством ударов металлической дроби на единицу площади привело к созданию нового метода обработки инструментом центробежно-ударного действия.
Создание новых методов обработки является творческой задачей, формализация которой возможна лишь в редких частных случаях.
Однако вполне реально, проанализировав состояние вопроса, можно указать основные направления, а также сформулировать отдельные приемы и методы решения данной задачи.
В целом эволюционную систему технологических преобразований и создания новых прогрессивных технологий можно представить в виде следующей модели (рис. 10.4). Основными объектами модели являются: кадровое обеспечение, техническое обеспечение и технологические среды. Они осуществляют технологическое воздействие материального, энергетического и информационного типов на предметы обработки (заготовки, изделия) и реализуют процесс технологических преобразований заготовок в изделия, которые имеют вход V и выход W. Сам процесс технологических преобразований имеет обратную связь с обеспечивающими объектами системы. Обратная связь позволяет подучать сведения о количественных и качественных параметрах процессов технологических преобразований, а также дает возможность многократного использования средств технологического воздействия, организовать их поточность и непрерывность функционирования.
Все объекты системы технологических преобразований функционируют в пространстве и во времени, поэтому между ними действуют пространственно-временные отношения. Объекты модели ограничены пространственной границей, определяющей эту систему как функциональную единицу или объемно-пространственную производственную ячейку.
