Динамического действия с механическим или пневматическим приводом

Ультразвукового действия;

Центробежно-ударного действия;

Кулачково-ударного действия;

Ротационные методы обработки поверхностей ППД характеризуются статическим характером усилий деформирования и непрерывностью контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью. Использование ротационного инструмента непрерывного действия при обработке высокоточных отверстий у деталей, имеющих неравножесткие или маложесткие стенки, не дает положительного результата из-за недопустимых погрешностей геометрических форм и размеров обрабатываемых поверхностей.

ОБРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАМИ ИМПУЛЬСНОГО ДЕЙСТВИЯ

11.1. Обработка инструментами кулачково-ударного действия.

11.2. Обработка инструментами центробежно-ударного действия.

11.3. Обработка инструментом ультразвукового действия.

Для обработки таких деталей применяются импульсные методы ППД, отличительной чертой которых является кратковременное (импульсное) воздействие деформирующего элемента на обрабатываемую поверхность и отсутствие постоянного контакта между ними. Инструменты импульсного действия можно разделить на четыре группы:

Для инструментов этих четырех групп общим является направление действия динамического импульсного усилия – перпендикулярно к обрабатываемой поверхности.

11.1. Принцип действия и конструкции инструментов. У инструмента кулачково-ударного действия деформирующие ролики помимо обкатывающего движения имеют еще быстрые возвратно-поступательные перемещения, совершаемые в радиальном направлении, в результате чего ролики, обкатываясь по обрабатываемой поверхности, наносят по ней кратковременные удары большой частоты. Частота ударов связана со скоростью вращения детали для инструментов и его конструкции.

На рис. 11.1 приведены схема обработки цилиндрической внутренней поверхности импульсной раскаткой. Деформирующие ролики 2, увлекаемые в процессе обработки в планетарное движение кулачковой оправкой 1 или обрабатываемой деталью 3, вращаются между поверхностью кулачковой оправки и обрабатываемой поверхностью. Кулачковая оправка выполняется в виде многогранника со скругленными вершинами или в виде цилиндрической оправки с продольными профильными канавками, имеющими в поперечном сечении

Рис. 11.1. Обработка отверстия импульсной раскаткой

криволинейную форму. Ролики, обкатывая выступы и впадины кулачковой оправки, совершают быстрые радиальные перемещения – удары, которые происходят в момент, когда натяг достигает своей максимальной величины.

При перемещении ролика по цилиндрической поверхности выступа оправки происходит обычное раскатывание цилиндрической поверхности. Когда ролик находится на лыске или в канавке кулачковой оправки, величина натяга становится минимальной или равной нулю. Быстрое чередование максимального и минимального натяга происходит в очень короткий промежуток времени (10^-3–10^-4с), благодаря чему изменение усилия деформирования носит пульсирующий характер. Кратковременный характер пульсирующей нагрузки на деформирующий ролик вызывает высокую скорость деформации, которая успевает распространиться на незначительную величину. Вследствие этого объемные деформации стенок отверстия очень малы и пластически деформируется тонкий поверхностный слой.

Таким образом, обрабатывая неравножесткие и маложесткие детали, удается получать поверхности с шероховатостью Rа = 0,08–0,32 мкм при точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей 5-6-го квалитетов, причем поверхностный слой упрочняется на глубину 0,1–0,6 мм.

Конструктивные параметры и режим обработки. Сила удара ролика по обрабатываемой поверхности зависит от высоты подъема кулачка опорной части оправки инструмента. Для увеличения интенсивности удара ролика и уменьшения его обкатывающего действия рекомендуется применять кулачковые оправки с большим подъемом кулачков за счет увеличения ширины лысок или глубины профильных канавок. Оптимальной шириной лыски следует считать такую ее величину, которая обеспечивает высоту подъема ролика, равную половине допустимого натяга. Для уменьшения крутящих моментов и осевых усилий длину дуги выступа кулачковой оправки следует выбирать не более 1,5-2 мм. Обычно деформирующие элементы импульсных раскаток изготавливаются из роликов стандартных игольчатых подшипников.

Для уменьшения усилий деформирования следует принимать наименьший диаметр ролика, пользуясь следующими данными:

при D = 25мм, d = 3 мм;

при D = 25-30 мм, d = 4 мм;

при D = 35 мм, d = 5 мм.

Число ударов в минуту роликов по обрабатываемой поверхности подсчитывается по формуле

где n – частота вращения кулачковой оправки или детали; z – количество роликов в инструменте; q – количество лысок кулачковой оправки.

В формуле знак “плюс” служит для обкатывания наружных, а знак “минус” – для раскатывания внутренних цилиндрических поверхностей.

Для обеспечения равномерности ударов ролика по всей цилиндрической поверхности детали должно быть выдержано условие

где m – целое число (1, 2, 3…).

Для импульсной ротационной обработки существует оптимальный режим раскатывания, который характеризуется величиной натяга, подачей, скоростью раскатывания и частотой ударов ролика в единицу времени. Наибольшее влияние на качественные характеристики обработанной поверхности оказывает величина натяга. При определении натяга необходимо учитывать упругие и пластические свойства обрабатываемого материала. Обычно припуск под раскатывание не должен превышать 0,025-0,035 мм для чугуна; 0,03-0,05 мм – для стали; 0,025-0,03 мм – для алюминия и 0,015-0,02 мм – для латуни и бронзы.

Величина подач принимается в пределах 200-1200 мм/мин. Большие значения подач следует принимать для латунных, бронзовых и стальных деталей, меньшие – для чугунных. Кроме того, при выборе подач необходимо учитывать требуемую шероховатость обработанной поверхности. Чем меньше шероховатость, которую требуется обеспечить при обработке, тем меньшая подача должна быть принята для раскатывания.

Частота ударов роликов составляет 10000-20000 в мин. Наиболее благоприятной в качестве исходной является поверхностью, обработанная тонким растачиванием с подачами 0,05-0,25 мм/об. Хорошие результаты обработки достигаются при развертывании, шлифовании и хонинговании отверстий под раскатывание.

Эффективность импульсной обработки. Обработка импульсным раскатыванием обладает следующими преимуществами: высокой производительностью, малой величиной усилий деформирования, высокой стойкостью инструмента. Импульсное раскатывание отверстий из стали и цветных сплавов, имеющих шероховатость Rа = 0,63-0,32 мкм, уменьшает ее до Rа = 0,04-0,16 мкм, а отверстий в чугунных деталях – с Rа = 0,63-0,32 мкм до Rа = 0,16-0,32 мкм.

Импульсным раскатыванием достигается точность 5-6-го квалитетов, если такая же точность была у подготовленных под раскатывание отверстий. Обработка отверстий импульсными раскатками уменьшает погрешности геометрической формы отверстий в поперечном и продольном сечениях примерно на 15-20%. Импульсная обработка имеет упрочняющий эффект, действие которого распространяется на незначительную глубину. Глубина наклепанного слоя тем больше, чем пластичнее материал. Например, для углеродистой стали глубина наклепа равна 0,1-0,4 мм, а алюминиевого сплава – 0,3-0,6 мм. Твердость поверхностного слоя металла возрастает на 20-40% в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала.

11.2. Сущность процесса и конструкция инструментов. Отличительной особенностью обработки инструментами центробежно-ударного действия является мгновенное ударное воздействие деформирующего элемента на обрабатываемую поверхность за счет центробежной силы. В качестве деформирующих элементов используются, как правило, стандартные шарики подшипников.

Обработка поверхностей инструментами центробежно-ударного действия легко осуществляется на токарных, шлифовальных, строгальных и других станках.

На рис. 11.2 приведены схема центробежно-ударной обработки на шлифовальных станках. При обработке наружной цилиндрической поверхности (рис.11.2, а) деталь 4 устанавливается в центре шлифовального станка и от планшайбы 2 передней бабки станка хомутиком 3 приводится во вращение. Инструмент 1 закрепляется на шпинделе шлифовальной бабки и получает вращение от электродвигателя 5. Деталь и инструмент вращаются в противоположные стороны. Внутренняя цилиндрическая поверхность может быть обработана на внутреннем круглошлифовальном станке (рис. 11.2, б). В этом случае деталь 3 устанавливается в приспособлении 2 (патрон), закрепленном на планшайбе 1 шпинделя станка. Шлифовальный шпиндель 5 снабжается инструментом 4, получающим вращение от электродвигателя 6. Деталь и инструмент вращаются также в противоположные стороны. В обеих схемах движение подачи показано стрелками А, а движение, необходимое для создания натяга требуемой величины – стрелками Б.

Рис. 11.2. Схемы центробежно-ударной обработки цилиндрических

поверхностей: а – наружной; б – внутренней

Режим обработки. Инструменты центробежно-ударного действия используются как при размерно-чистовой, так и при упрочняющей обработке. На шероховатость обработанной поверхности и на физико-механические характеристики наклепанного слоя большое влияние оказывают окружная скорость инструмента, окружная скорость детали, величина натяга, продольная подача, количество проходов, количество деформирующих элементов в инструменте, диаметр шарика или ролика.

Окружная скорость является одним из важных факторов, влияющих на шероховатость, степень и глубину наклепа и величину остаточных напряжений. Обычно окружная скорость принимается в пределах 12-25 м/с, при этом обработка закаленных и твердых сталей производится с большей окружной скоростью, чем обработка мягких сталей и цветных металлов. Окружная скорость детали принимается в пределах 0,5-1,5 м/с, причем для достижения поверхности с малой величиной шероховатости следует устанавливать меньшую окружную скорость детали.

Качественные характеристики обработанной поверхности зависят от натяга. С увеличением его возрастает сила удара по изделию. Для различных условий обработки натяг может колебаться в пределах 0,05-0,3 мм.

Продольная подача на оборот детали принимается в диапазоне 0,02-0,2 мм/об. Величина подачи на оборот детали определяется по формуле

где S_z – подача на деформирующий элемент; z – число деформирующих элементов инструмента; n_u – частота вращения инструмента; n – частота вращения детали.

Обработка инструментов центробежно-ударного действия производится за 1-3 рабочих хода.

Количество ударов, приходящихся на 1-2 обработанные поверхности, изменяется в пределах 5-50 и определяется по выражению

Величина силы удара шарика характеризуется величиной импульса силы, определяемой по следующей зависимости:

где G – масса шарика, H; C – коэффициент восстановления, его можно приближенно принимать равным единице; q – ускорение силы тяжести, м/с²; D_u – рабочий диаметр инструмента, м.

Импульс силы следует принимать не менее 0,015-0,02Н.с. и не более 0,04 Н.с. При обработке наружных цилиндрических поверхностей диаметр инструмента принимается конструктивно и может изменяться в широких пределах по отношению к диаметру детали. При обработке внутренних поверхностей диаметр инструмента принимается D_u = (0,65-0,75)D. Исходная поверхность под центробежно-ударную обработку получается шлифованием при обеспечении на этой операции заданной точности обработки, так как обработка инструментами центробежно-ударного действия не является размерным процессом, а лишь отделочным и упрочняющим. Припуск на обработку не предусматривается в связи с тем, что остаточная деформация составляет всего 2-5 мкм.

Эффективность центробежно-ударной обработки. Центробежно-ударная обработка применяется для сырых и закаленных сталей, чугуна и цветных сплавов. При отделочной обработке достигается шероховатость Rа = 0,08-0,32 мкм при исходной шероховатости Rа = 0,63-2,5 мкм. Упрочняющая обработка позволяет повысить поверхностную твердость на 30-70%. Твердость поверхностного слоя зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала: при обработке стали 25 поверхностная твердость увеличивается на 55%, стали 45 – на 20, стали 18ХНВА – на 30, чугуна – на 30-60, латуни – на 60, бронзы – на 37, дюралюминия – на 30%. Глубина наклепанного слоя для мягких материалов составляет 0,8-1,8 мм, для более твердых – 0,3-0,8 мм.

11.3. С целью интенсификации процесса ППД деформирующему инструменту придают колебательные движения, направленные перпендикулярно обрабатываемой поверхности, с ультразвуковой частотой. Наложение на деформирующий элемент ультразвуковых колебаний позволяет при малых статических усилиях, приложенных к деформирующему элементу, обеспечить высокие параметры поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Ультразвуковая обработка ППД применяется как размерно-чистовая, упрочняющая и размерно-чистовая с упрочняющим эффектом деталей из сталей различной твердости, чугуна, цветных металлов и сплавов.

Сущность процесса и его особенности. Ультразвуковая обработка поверхностей методом ППД заключается в том, что шар (или сферическая поверхность инструмента), к которому приложено статическое усилие, колеблется с ультразвуковой частотой в направлении нормали к обрабатываемой поверхности.

На рис. 11.3 приведена схема обработки цилиндрической наружной поверхности инструментом ультразвукового действия.

Рис. 11.3. Схема ультразвукового упрочнения наружных

цилиндрических поверхностей

От генератора 1 ток ультразвуковой частоты попадает в магнитострикционный вибратор 2, который связан через концентратор 3 с шариком 4, воздействующим на вращающуюся деталь 5, установленную в центрах или патроне токарного станка, ультразвуковыми колебаниями, а поджим всего устройства к обрабатываемой поверхности детали происходит посредством статического усилия, создаваемого противовесом 6. Магнитостриктор охлаждается проточной водой.

В качестве деформирующего элемента для обработки незакаленных сталей, чугуна и цветных сплавов применяются стандартные шарики, а для закаленных сталей – твердосплавный шар или полусферическая поверхность. Опорой деформирующего шара, установленного в державке инструмента, могут быть шары небольшого диаметра или жесткий металлический подпятник.

Источником электрической энергии ультразвуковой частоты являются ламповые генераторы моделей УЗГ=10, УЗГ=2,5, УЗМ=1,5. Доля образования электрической энергии ультразвуковой частоты необходима акустическая головка, состоящая из вибратора (как правило, магнитострикционного), концентратора и рабочей головки.

Режим обработки и эффективность процесса. Интенсификация процесса ППД ультразвуковым инструментом достигается за счет импульсного, кратковременного действия (0,00005 с) деформирующей силы, вызывающей высокую скорость деформации, мгновенно и локально действующую температуру (600 ^оС и выше) и высокие удельные давления (2000-3000 МПа).

К основным элементам режима ультразвуковой обработки относятся: статическое усилие прижима инструмента к обрабатываемой поверхности; амплитуда и частота ультразвуковых колебаний инструмента, скорость главного движения, продольная подача, число ходов, а также диаметр шага и масса инструмента. Наибольшее влияние на процесс поверхностного деформирования шаром оказывают статическое усилие и амплитуда колебаний. Статическое усилие следует принимать тем выше, чем более твердый материал, выше исходная шероховатость, больше подача и скорость вращения детали и меньше амплитуда колебаний инструмента.

Суммарная сила, возникающая в процессе ультразвуковой обработки, является суммой двух сил: Р_ст = Р_ст+Р_д, где Р_ст – статистическое усилие; Р_д – динамическая сила удара.

Величина силы удара рассчитывается по формуле

где Т – период колебания инструмента; t_g – время контакта шара с обрабатываемой поверхностью.

Время контакта колеблется от 1·10^-5 до 3·10^-5 с. Практически динамическая сила удара в 5-8 раз выше величины статического усилия, т.е.

Р_д = (5-8)Р_ст. Величина статического усилия может изменяться от 50 до 300 Н. Амплитуда колебаний инструмента принимается в пределах 10-50 мкм, скорость главного движения 0,11-1,0 м/с, а подача 0,08-0,4 мм/об, диаметр шарика ультразвукового инструмента d = 6-15 мм.

При оптимальных режимах ультразвуковой обработки незакаленных углеродистых сталей шероховатость за один проход уменьшается с Rа = 2,5-5 мкм до Rа = 0,08-0,32 мкм, а у закаленных сталей – Rа = 0,32-0,63 мкм до Rа = 0,08-0,16 мкм. При обработке чугуна СЧ20 шероховатость уменьшается с Rа = 1,25-2,5 мкм до Rа = 0,16-0,32 мкм.

После ультразвуковой обработки поверхность имеет более регулярные микронеровности с плавными радиусами закругления у впадин и на вершинах, чем при обкатывании шариковыми инструментами непрерывного действия. Ультразвуковая обработка повышает поверхностную твердость сталей 10, 45, У8, У12 соответственно на 90, 120, 140 и 150% при глубине наклепанного слоя до 0,8-1,2 мм. В поверхностном слое металла возникают сжимающие остаточные напряжения, величина которых в зависимости от конкретных условий обработки изменяется в пределах 600-1100 МПа. Глубина распространения сжимающих остаточных напряжений составляет 0,2-0,7 мм.

Наклепывание деталей ультразвуковой обработкой значительно повышает их износостойкость. При трении скольжения в условиях смазки стали 45 по чугуну СЧ20 износ стальных образцов, обработанных ультразвуковым наклепом, до 6 раз меньше износа образцов, накатанных шариковым инструментом непрерывного действия. Сравнение износа образцов из стали 45, поверхность которых обработана ультразвуковым инструментом, с износом образцов, подвергнутых шлифованию, показывает, что наклепанные ультразвуковой обработкой образцы имеют износ в 3 раза меньше шлифованных. При этом износ бронзовых вкладышей, являющихся контртелами для исследуемых образцов, в 7 раз меньше при контакте с образцами, обработанными ультразвуковым инструментом, чем при контакте со шлифованными образцами.

Усталостная прочность образцов, подвергнутых ультразвуковой обработке, также значительно повышается. Сравнительные испытания полированных и упрочненных образцов из стали 45 показали, что усталостная прочность упрочненных образцов по сравнению с полированными возрастает на 50 и более процентов.

Следует отметить высокую стоимость ультразвуковых генераторов, преобразователей и инструмента. Однако, несмотря на это, использование ультразвукового упрочнения для обработки различных деталей может быстро окупиться благодаря универсальности процесса, позволяющего обрабатывать поверхности деталей из сырых и закаленных сталей, чугуна и цветных металлов.

ЛЕКЦИЯ 20