СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КИНОАППАРАТУРЫ
ПРИБОРЫ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ
УДК 778.55-192
М. А. РЯБИНИН
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КИНОАППАРАТУРЫ
Предложен комбинированный метод выглаживания поверхностного слоя деталей индентором с наложением ультразвуковых колебаний и последующим нанесением регулярного микрорельефа вибронакатыванием. Приводятся результаты сравнительных испытаний данного метода и ранее предложенных технологий упрочнения деталей.
Ключевые слова: регулярный микрорельеф, равновесная шероховатость, поверхностно-пластическое деформирование, выглаживание, вибронакатывание.
Качество изделий кинотехники, их эксплуатационные свойства и надежность работы в значительной степени зависят от технологии чистовой отделочной обработки, в процессе которой формируется поверхностный слой деталей. Среди множества отделочных операций, формирующих на поверхности деталей микрорельеф с заданными параметрами оптимальной „равновесной“ шероховатости [1, 2], а также позволяющих существенно снизить время приработки, повысив при этом износостойкость деталей [3], широкое распространение получила обработка поверхностного слоя посредством холодного пластического деформирования [4]. Кроме того, разработаны и внедрены новые способы, позволяющие повысить прочность и срок службы деталей путем нанесения на их поверхность регулярного микрорельефа (РМР) [5].
В настоящей статье предложен комбинированный метод выглаживания поверхностного слоя индентором с наложением ультразвуковых колебаний (УЗК) и последующим нанесением РМР вибронакатыванием. Приведены результаты экспериментального исследования качества поверхностного слоя, полученного с использованием предложенного метода, а также результаты сравнительных испытаний данного метода и ранее предложенных технологий упрочнения деталей с наложением УЗК.
Опыты проводились на образцах из стали 45, которые в первом случае были отожжены, а во втором — упрочнены закалкой до HRC 45—50.
Таким образом, были проведены четыре серии экспериментов по двум технологиям поверхностно-пластического деформирования (ППД).
1. Пластическое деформирование незакаленной поверхности, обработанной чистовым точением резцом из сплава ВК8 в режимах резания, обеспечивающих приближение к показателям „равновесной“ шероховатости по шагу и высоте [6]. Выглаживание поверхностного слоя проводилось индентором радиусом R=2 мм с наложением УЗК амплитудой Аk=15 мкм и частотой f =18,5 кГц.
2. Пластическое деформирование незакаленной поверхности по технологии, предложенной в п. 1, с последующим формированием РМР типа IV [4] в целях создания дополнительных масляных карманов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 5
48 М. А. Рябинин
3. Пластическое деформирование закаленной поверхности, полученной в результате чистового точения микрорезцами из Эльбора-Р в режимах резания, обеспечивающих приближение по шагу и высоте микронеровности поверхности к показателям „равновесной“ шероховатости, с последующим выглаживанием поверхностного слоя индентором (R=2 мм) с наложением УЗК (Аk =15 мкм, f =18,5 кГц).
4. Пластическое деформирование закаленной поверхности, обработанной по технологии, приведенной в п. 3, с последующим формированием РМР типа IV.
Для обработки поверхностей деталей киновидеоаппаратуры путем поверхностнопластического деформирования использовалась установка, состоящая из генератора УЗГ-4 с магнитострикционным преобразователем типа ПМС-15 и специального устройства для создания регулярного микрорельефа (рис. 1, здесь nдв.х — число двойных ходов инструмента, мин–1; nз — число оборотов заготовки, мин–1; λ — осевой шаг неровностей, мм).
Устройство для выглаживания поверхности с наложением УЗК s
УЗГ 2l
λ nз
P s nдв.х
Устройство для формирования регулярного микрорельефа
Рис. 1
В качестве усилителя амплитуды использовался концентратор экспоненциальной фор-
мы (с коэффициентом усиления N=3,25), на конце которого впаян твердосплавный сфериче-
1 ский индентор радиусом 2 мм. Общий
вид установки приведен на рис. 2, где 2 1 — УЗ-головка для выглаживания по-
3
верхностного слоя; 2 — индентор для формирования РМР; 3 — обрабаты-
ваемая деталь; 4 — эксцентрик; 5 —
электродвигатель; 6 — пружина для
4 создания силы нормального давления;
6 7 — направляющая. 5 На первом этапе по методике, из-
7 ложенной в работе [6], оценивалась
топология микротвердости HV незака-
ленной и закаленной поверхностей,
Рис. 2
обработанных по традиционной и комбинированной УЗ-технологиям. По
результатам статистической обработки значений HV не были выявлены изменения микро-
твердости поверхности при нанесении РМР, однако испытания на износостойкость показали,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 5
Сравнительный анализ методов поверхностного упрочнения деталей киноаппаратуры
49
что поверхности с нанесенным РМР изнашивались медленнее. Это подтверждается представ-
ленными на рис. 3 и 4 графиками, демонстрирующими изменение износа поверхности детали
(Ih) в зависимости от времени ее работы (t): на рис. 3, 4 показаны результаты соответственно
для незакаленной и закаленной (HRC 40—50) стали, где а соответствует обработке поверхно-
сти чистовым точением с наложением УЗК, б — обработке комбинированным способом с на-
ложением УЗК и нанесением регулярного микрорельефа.
а) Ih, мкм
б) Ih, мкм
20 20 15 15
а) Ih, мкм 20
10
2000 t, ч Рис. 3 б) Ih, мкм 20
10
2000 t, ч
2000 t, ч
2000 t, ч
Рис. 4
Ресурсные испытания деталей проводились по изложенной в работе [7] методике уско-
ренных испытаний при следующих параметрах вибронакатывания:
— подача (линейное перемещение инструмента за один оборот детали) s=0,078 мм/об;
— амплитуда осцилляции деформирующего элемента 2l=2,5 мм;
— количество волн канавки, образуемых за один оборот заготовки, i=62,25;
— усилие прижима P=590 Н.
Как показали результаты испытаний, при нанесении регулярного микрорельефа на уп-
рочненную ультразвуковыми колебаниями поверхность износостойкость деталей повышается
в среднем на 20—30 %.
Особый интерес представляет формирование сравнительных математических моделей
рассмотренных процессов поверхностного упрочнения с использованием методик, предло-
женных в работах [8, 9]. При этом, учитывая оптимальные значения технологических пара-
метров обработки, можно выявить и оценить количественно преимущества одной технологии
по сравнению с другой.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 5
50 М. А. Рябинин
Например, задавшись для экспериментов 3 и 4 (см. выше) значениями, близкими к па-
раметрам оптимальной шероховатости, получим два аналитических выражения в виде квад-
ратичной функции:
∑ ∑ ∑y = b0 + k bm xn + k bmn xm xn + k bmm xm2 ,
где
y
m=1 m
УДК 778.55-192
М. А. РЯБИНИН
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ КИНОАППАРАТУРЫ
Предложен комбинированный метод выглаживания поверхностного слоя деталей индентором с наложением ультразвуковых колебаний и последующим нанесением регулярного микрорельефа вибронакатыванием. Приводятся результаты сравнительных испытаний данного метода и ранее предложенных технологий упрочнения деталей.
Ключевые слова: регулярный микрорельеф, равновесная шероховатость, поверхностно-пластическое деформирование, выглаживание, вибронакатывание.
Качество изделий кинотехники, их эксплуатационные свойства и надежность работы в значительной степени зависят от технологии чистовой отделочной обработки, в процессе которой формируется поверхностный слой деталей. Среди множества отделочных операций, формирующих на поверхности деталей микрорельеф с заданными параметрами оптимальной „равновесной“ шероховатости [1, 2], а также позволяющих существенно снизить время приработки, повысив при этом износостойкость деталей [3], широкое распространение получила обработка поверхностного слоя посредством холодного пластического деформирования [4]. Кроме того, разработаны и внедрены новые способы, позволяющие повысить прочность и срок службы деталей путем нанесения на их поверхность регулярного микрорельефа (РМР) [5].
В настоящей статье предложен комбинированный метод выглаживания поверхностного слоя индентором с наложением ультразвуковых колебаний (УЗК) и последующим нанесением РМР вибронакатыванием. Приведены результаты экспериментального исследования качества поверхностного слоя, полученного с использованием предложенного метода, а также результаты сравнительных испытаний данного метода и ранее предложенных технологий упрочнения деталей с наложением УЗК.
Опыты проводились на образцах из стали 45, которые в первом случае были отожжены, а во втором — упрочнены закалкой до HRC 45—50.
Таким образом, были проведены четыре серии экспериментов по двум технологиям поверхностно-пластического деформирования (ППД).
1. Пластическое деформирование незакаленной поверхности, обработанной чистовым точением резцом из сплава ВК8 в режимах резания, обеспечивающих приближение к показателям „равновесной“ шероховатости по шагу и высоте [6]. Выглаживание поверхностного слоя проводилось индентором радиусом R=2 мм с наложением УЗК амплитудой Аk=15 мкм и частотой f =18,5 кГц.
2. Пластическое деформирование незакаленной поверхности по технологии, предложенной в п. 1, с последующим формированием РМР типа IV [4] в целях создания дополнительных масляных карманов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 5
48 М. А. Рябинин
3. Пластическое деформирование закаленной поверхности, полученной в результате чистового точения микрорезцами из Эльбора-Р в режимах резания, обеспечивающих приближение по шагу и высоте микронеровности поверхности к показателям „равновесной“ шероховатости, с последующим выглаживанием поверхностного слоя индентором (R=2 мм) с наложением УЗК (Аk =15 мкм, f =18,5 кГц).
4. Пластическое деформирование закаленной поверхности, обработанной по технологии, приведенной в п. 3, с последующим формированием РМР типа IV.
Для обработки поверхностей деталей киновидеоаппаратуры путем поверхностнопластического деформирования использовалась установка, состоящая из генератора УЗГ-4 с магнитострикционным преобразователем типа ПМС-15 и специального устройства для создания регулярного микрорельефа (рис. 1, здесь nдв.х — число двойных ходов инструмента, мин–1; nз — число оборотов заготовки, мин–1; λ — осевой шаг неровностей, мм).
Устройство для выглаживания поверхности с наложением УЗК s
УЗГ 2l
λ nз
P s nдв.х
Устройство для формирования регулярного микрорельефа
Рис. 1
В качестве усилителя амплитуды использовался концентратор экспоненциальной фор-
мы (с коэффициентом усиления N=3,25), на конце которого впаян твердосплавный сфериче-
1 ский индентор радиусом 2 мм. Общий
вид установки приведен на рис. 2, где 2 1 — УЗ-головка для выглаживания по-
3
верхностного слоя; 2 — индентор для формирования РМР; 3 — обрабаты-
ваемая деталь; 4 — эксцентрик; 5 —
электродвигатель; 6 — пружина для
4 создания силы нормального давления;
6 7 — направляющая. 5 На первом этапе по методике, из-
7 ложенной в работе [6], оценивалась
топология микротвердости HV незака-
ленной и закаленной поверхностей,
Рис. 2
обработанных по традиционной и комбинированной УЗ-технологиям. По
результатам статистической обработки значений HV не были выявлены изменения микро-
твердости поверхности при нанесении РМР, однако испытания на износостойкость показали,
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 5
Сравнительный анализ методов поверхностного упрочнения деталей киноаппаратуры
49
что поверхности с нанесенным РМР изнашивались медленнее. Это подтверждается представ-
ленными на рис. 3 и 4 графиками, демонстрирующими изменение износа поверхности детали
(Ih) в зависимости от времени ее работы (t): на рис. 3, 4 показаны результаты соответственно
для незакаленной и закаленной (HRC 40—50) стали, где а соответствует обработке поверхно-
сти чистовым точением с наложением УЗК, б — обработке комбинированным способом с на-
ложением УЗК и нанесением регулярного микрорельефа.
а) Ih, мкм
б) Ih, мкм
20 20 15 15
а) Ih, мкм 20
10
2000 t, ч Рис. 3 б) Ih, мкм 20
10
2000 t, ч
2000 t, ч
2000 t, ч
Рис. 4
Ресурсные испытания деталей проводились по изложенной в работе [7] методике уско-
ренных испытаний при следующих параметрах вибронакатывания:
— подача (линейное перемещение инструмента за один оборот детали) s=0,078 мм/об;
— амплитуда осцилляции деформирующего элемента 2l=2,5 мм;
— количество волн канавки, образуемых за один оборот заготовки, i=62,25;
— усилие прижима P=590 Н.
Как показали результаты испытаний, при нанесении регулярного микрорельефа на уп-
рочненную ультразвуковыми колебаниями поверхность износостойкость деталей повышается
в среднем на 20—30 %.
Особый интерес представляет формирование сравнительных математических моделей
рассмотренных процессов поверхностного упрочнения с использованием методик, предло-
женных в работах [8, 9]. При этом, учитывая оптимальные значения технологических пара-
метров обработки, можно выявить и оценить количественно преимущества одной технологии
по сравнению с другой.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 5
50 М. А. Рябинин
Например, задавшись для экспериментов 3 и 4 (см. выше) значениями, близкими к па-
раметрам оптимальной шероховатости, получим два аналитических выражения в виде квад-
ратичной функции:
∑ ∑ ∑y = b0 + k bm xn + k bmn xm xn + k bmm xm2 ,
где
y
m=1 m