В отечественном машиностроении происходит технологическая модернизация, направленная на повышение эффективности производства и конкурентоспособности выпускаемой продукции. Освоение прогрессивных технологий обеспечивается преимущественно за счет приобретения импортного оборудования и инструмента и, в меньшей степени, путем внедрения новых технологических процессов, созданных в нашей стране.
Можно отметить еще одну особенность современного развития отечественного машиностроения: его акценты смещены в сторону совершенствования высокотехнологичных отраслей, ориентированных на мелкосерийное производство. Не менее важной и актуальной задачей для экономии страны и ее престижа является внимание к производству продукции, выпускаемой в больших объемах, и качество которой затрагивает интересы большого числа потребителей.
И, наконец, еще об одной тенденции развития технологи машиностроения, в которой, наряду с уже традиционными требованиями постоянного повышения производительности, точности и качества обработки деталей, все более активно выдвигается условие экологичности их изготовления. При этом требование экологичности производства в расширенной трактовке затрагивает не только комфортность условий труда, но и уменьшение материало- и энергоемкости выпускаемых изделий, что напрямую влияет на их экономичность и конкурентоспособность.
Применительно к финишным операциям обработки, например, с использованием абразивного инструмента и принудительного охлаждения зоны резания более предпочтительным с точки зрения экологии представляются процессы поверхностного пластического деформирования (ППД) и особенно те, в которых не применяются смазывающе-охлаждающие технологические среды (СОТС).
Для указанных условий производства, в частности, для автомобилестроения, ключевой проблемой внедрения новой технологии становится ее повышенная надежность и стабильность, то есть уверенность в безусловном выполнении всех необходимых требований к точности, качеству чрезвычайно быстрой обработки огромного - до 600 000 и более деталей в год только одного типа при их непрерывном изготовлении в течение нескольких лет. При отсутствии влияния оператора на ход технологического процесса выполнение даже относительно несложных требований по точности формы и размеров обрабатываемой поверхности, ее шероховатости и других регулируемых характеристик качества поверхностного слоя требует тщательной его научно-исследовательской подготовки.
Процессы упрочняющей обработки непрерывно развиваются в качестве метода финишной обработки поверхностей деталей машин. Обработка методами поверхностного пластического деформирования (ППД) состоит в силовом контактном воздействии деформирующего инструмента на поверхность заготовки в условиях их относительного движения (рис. 1).
Рис. 1. Основные схемы взаимодействия деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью: а - качение; б - скольжение; в - внедрение
Процесс ППД осуществляется без снятия стружки путем деформирования микронеровностей и глубинных прилегающих к поверхности слоев материала. В результате происходит значительное снижение шероховатости, упрочнение поверхностного слоя, в нем возникают остаточные напряжения сжатия. При этом происходит интенсивное выглаживание поверхностных неровностей заготовки, сопровождающееся значительным упрочнением поверхностных слоев (повышением микротвердости и созданием благоприятных сжимающих напряжений); исключается шаржирование обработанной поверхности абразивными и другими частицами; становится возможным образование частично и полностью регулярных микрорельефов. Эти достоинства в сочетании с высокой производительностью, надежностью и простотой осуществления предопределили широкое и непрерывно расширяющееся применение различных способов финишной обработки давлением практически во всех отраслях промышленности с высокими технико-экономическими показателями.
Исследования, приведенные в литературе, направляются главным образом на выявление общих и частных закономерностей ППД при большом разнообразии средств реализации этого вида обработки.
В зависимости от схемы силового воздействия деформирующего элемента на поверхность обрабатываемой детали, в соответствии с ГОСТ 18296‒72, можно выделить восемь основных групп процессов ППД (рис. 2).
Наибольшее распространение получили статические методы ППД, включающие дорнование, выглаживание и обкатывание, при которых осуществляют непрерывное контактное взаимодействие инструмента с заготовкой в процессе их взаимного перемещения. Статические методы ППД получили наиболее широкое распространение вследствие относительной простоты их реализации и стабильности протекания процесса обработки.
Выглаживание является одним из наиболее простых способов поверхностного пластического деформирования. Его отличает высокая производительность и стойкость инструмента [4] (рис. 3). Выглаживанием достигается шероховатость Ra = 0,32...0,1 мкм, при обработке возрастает микротвердость, и в поверхностном слое создаются сжимающие остаточные напряжения. Процесс алмазного выглаживания кинематически аналогичен точению, только вместо резца применяется алмазный выглаживатель, который, пластически деформируя поверхностный слой, выравнивает и упрочняет его.
Долговечность и надежность машин и конструкций определяется эксплуатационными характеристиками наиболее нагруженных деталей. Известно, что на долговечность деталей машин влияют множество факторов таких, как износостойкость, поверхностная прочность, макро-геометрия, микронеровности поверхности и др.
Рис. 2. Классификация способов поверхностного пластического деформирования
Однако, независимо от вида нагружений, наибольшие нагрузки испытывают поверхностные слои деталей - слои, наиболее интенсивно подвергающиеся воздействию внешней среды. Эксплуатационные характеристики поверхностных слоев определяются в основном технологией их обработки. Поверхностно-пластическое деформирование является наиболее выигрышным методом упрочнения поверхностных слоев деталей машин.
При проведении исследований в работе Одинцова Л.Г. [7] оказалось, что после 43000 км пробега износ поршневых пальцев, обработанных алмазным выглаживанием, был на 60-93% меньше необработанных образцов.
В работе [1] Барацем Я.И. предложено применить ППД с нанесением регулярного микрорельефа, с целью повышения эксплуатационных свойств трущейся пары поршень-корпус. При опытно-промышленной проверке процесса проводились исследования влияния параметров и режимов обработки на герметичность сопряжения, прирабатываемость и износостойкость контактируемых поверхностей. В свою очередь Шнейдером Ю.Г. было установлено, что наиболее рациональным регулярным микрорельефом для данной детали является частичный регулярный микрорельеф с соприкасающимися канавками.
В работе Горохова В.А. [3] приводится исследование износа и прирабатываемости образцов из технического титана ВТ1-1, после обработки их виброобкатыванием, обкатыванием, точением и шлифованием. Результаты исследования показали, что на поверхностях, обработанных ППД, износ приработки меньше в 2 раза. Таким образом, можно считать, что повышение износостойкости титановых сплавов увеличивается на 55% вследствие оптимизации геометрических, и на 45% вследствие оптимизации физических параметров обрабатываемых методами ППД поверхностей.
Большое место среди деталей, работающих на трение, занимают резинометаллические пары, среди них наиболее характерными являются шейки валов, контактирующие с манжетными уплотнениями. Для оценки износостойкости при различных методах обработки металлических поверхностей (шлифование, полирование, алмазное выглаживание) произведено испытание образцов из стали 40Х на машине трения. Результаты показали, что поверхности, обработанные алмазным выглаживанием, в 1,5-2 раза меньше изнашиваются, чем после полирования, и в 5 раз меньше, чем после шлифовальной обработки [7]. Повышение долговечности опор буровых долот и резьбовых соединений бурильных труб достигается применением деформационно-электрохимической обработки поверхностей трения, совмещенного с осаждением твердосмазочного композиционного электрохимического покрытия с ППД наносимого слоя. При обработке микротвердость повышается в 1,5-2 раза, уменьшается интенсивность изнашивания на 33-53%, увеличивается контактная выносливость на 54%. Также предложен новый способ повышения долговечности пар трения. Суть процесса заключается в нанесении на предварительно обработанную, с заданным микрорельефом, поверхность, методом фрикционного переноса, антифрикционного композита. Термостойкость такого покрытия сохраняется до температуры 870 К. Исследования на износостойкость, в работе [1] Бараца Я.И., на образцах из сталей 40, 20Х, 40Х, 12ХН3А, 38ХН3МА показали, что оптимальным вариантом стал - отделочно-упрочняющая обработка незакаленного вала методом обкатки шариком, для втулки - растачивание с последующей обработкой ППД роликовой раскаткой (или растачивание с последующим образованием РМР). Д.Д. Папшевым в работе [8] были проанализированы полученные положительные результаты по повышению износостойкости при обработке шариком, ультразвуковым упрочнением и обработке вращающимися механическими щетками с оптимальными режимами и соответствующими условиями на закаленных, легированных сталях и титановых сплавах.
При упрочнении щетками титановых сплавов, например сплава ПТЗВ (σВ = 650...900 МПа), прирост твердости составляет 15-30% при толщине упрочненного слоя 0,1-0,3 мм. Исследования показали, что обработка щетками приводит к снижению в 1,2-1,4 раза среднего арифметического отклонения микропрофиля шлифованных поверхностей. Микротвердость поверхности исследованных закаленных сталей возрастает на 10-30%. Снижается износ на 30-40% по сравнению со шлифованными поверхностями, при этом в 1,5-2,2 раза уменьшается время приработки, что благоприятно отражается на увеличении износостойкости.
Повышение долговечности и выносливости изделий достигается созданием оптимальных полей остаточных напряжений в теле деталей. Одним из таких методов является метод термопластического упрочнения. Задача создания полей остаточных напряжений решается в два этапа: сначала определяется температурное поле, а затем рассчитываются остаточные напряжения и пластические деформации.
В ЦНИИТМАШе была исследована усталостная прочность крупных валов и ступенчатых валов, изготовленных из сталей 40Х, 40ХН, 40. По результатам испытаний видно, что наклеп привел к значительному увеличению усталостной прочности. В Санкт-Петербургском инженерно-экономическом институте были проведены исследования качества поверхностного слоя на усталостную прочность предварительно обработанных точением образцов из титанового сплава ВК3-1, подвергнутых пластической деформации обкатыванием. При обработке шариками с увеличением усилия усталостная прочность увеличивается. При обкатке роликами с усилием 50 и 100 кГ она составляет 50-51 кГ/мм, а с увеличением усилия до 150-200 кГ снижается до 35-40 кГ/мм. Исследованием микроструктуры обкатанных образцов установлено, что в результате пластической деформации в поверхностном слое возникает значительная неоднородность структуры, которая влияет на усталостную прочность.
Количество способов ППД обширно, все они хорошо изучены, каждый из них имеет собственную технологическую нишу. Однако в основном все они внедрены преимущественно в мелкосерийное производство для ответственных деталей. Возможно заменять финишные процессы, например тонкого точения, шлифования или полирования с охлаждением на методы ППД без применения смазочно-охлаждающих средств, но среди известных методов ППД очень трудно найти технологический процесс, который бы удовлетворял требованиям массового производства. Когда за очень короткое время - до 20 с необходимо реализовать требования к процессу и качеству обработки детали.
Работа выполняется при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Рецензенты:
-
Васильев А.В., д.т.н., профессор, директор Института химии и инженерной экологии Тольяттинского государственного университета, г. Тольятти;
-
Горшков Б.М., д.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Электротехнические комплексы и системы» ГОУ ВПО «Поволжский государственный университет сервиса», г. Тольятти.
Работа поступила в редакцию 14.05.2012.