Інтенсифікація процесу протягування додатковою енергією

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ТЕХНОЛОГИИ»

Посвятенко Е. К., Немировський Я. Б., Чернявський О. В.,

Національний транспортний університет (м. Київ),

Центральноукраїнський національний технічний університет (м.Кропивницький)

Інтенсифікація процесу протягування додатковою енергією є перспективним методом, який розширює його технологічні можливості і створює умови для розробки нових технологічних процесів: комбінованого протягування, протягування з використанням ультразвукових коливань та протягування з використанням низькочастотних коливань.

Обробка отворів деформуючими, різальними та комбінованими протяжками (протягування) є високопродуктивним процесом. Між тим, його можна інтенсифікувати додатковими видами енергії. Це дозволить розширити можливості операції стосовнодеталей із практично усіх конструкційних та інструментальних матеріалів у будь-якому стані та вирішити проблеми, що ставить інженерія поверхні (модифікування поверхні, поверхневого шару й основногометалу деталі) перед механічною обробкою.

Види додаткової механічної енергії, що вводяться в зону протягування, показані на рис. 1.

Розглянемо вплив попередньої холодної пластичної деформації на процес обробки матеріалу різанням. Зміцнення оброблюваного матеріалу холодною пластичною деформацією, що передує іншим процесам обробки, зокрема різанню, дозволяє знизити напруженість останнього. При цьому спостерігається зміна інтенсивності наростоутворення, сил і температури різання, звуження пластичної зони і збільшення кута зсуву, зменшення усадки стружки, а також зниження інтенсивності зношування різального інструменту і поліпшення якості обробки. Найбільший ефект попереднього холодного пластичного деформування проявляється при низьких і середніх швидкостях різання (1-60 м/хв), що робить його надзвичайно перспективним для використання різального протягування. Якщо при цьому застосовувати деформуюче протягування, як джерело додаткової механічної енергії, та об'єднати ці два процеси, то протягування можна виконувати одним інструментом — комбінованою деформуюче-різальною протяжкою. Процес у цьому випадку слід називати комбінованим деформуюче-різальним протягуванням.

Природа впливу попередньої холодної пластичної деформації (ХПД) оброблюваного матеріалу на подальшу обробку різанням така. При різанні незміцненого матеріалу вся робота пластичної деформації буде виконуватись різальним зубцем. При комбінованій обробці частина цієї роботи виконується деформуючим елементом.

Нижче наведено наші експериментальні результати стандартних випробувань на розрив зразків п'ятикратної довжини, вирізаних зістінок втулок із сталі 12Х18Н10Т у початковому стані — 1 та зміцненихХПД з деформацією є =25% — 2 (рис. 2) і сталі — 10 (рис. 3) при одночасному деформаційному стиску (лінії) та деформуючим протягуванням ДП (точки).

Із результатів експериментів витікає, що виконання попереднього пластичного деформування змінює механічні характеристики оброблюваного матеріалу, виконуючи частину роботи при його деформуванні. Тому оброблюваність попереднього деформованого матеріалу покращується.

Сказане підтверджується також мікрофотографіями коренів стружки, отриманих при різальному протягуванні сталі 10 у незміцненому (рис. 4а) та зміцненому ДП стані (рис. 4б).

Із наведених порівняльних мікрофотографій витікає, що дія ХПД на оброблюваний матеріал позитивно впливає на оброблюваність останнього. Зокрема, знижується інтенсивність наростоутворення та поліпшується якість обробленої поверхні. Це дає підстави для обробки деталей деформуюче-різальним протягуванням і створення комбінованих деформуюче-різальних протяжок.

Розглянемо вплив нагрівання на процес протягування. Нагрівання деформуючих протяжок у процесі обробки є важливим способом підвищення продуктивності операції за рахунок збільшення працездатності робочих елементів, а отже, стійкості останніх, тобто кількості оброблених деталей (збільшення шляху протягування). Для цього безпосередньо на початку роботи інструменту здійснюється рівномірне нагрівання оправки і деформуючого елементу до температури, яка зберігається протягом усього процесу. При закінченні операції протяжка охолоджується. Таким чином, відбувається компенсація на­пружень від робочого навантаження при русі протяжки, що дозволяє підвищити довговічність її робочих елементів.

Навантаження на інструмент, етапи обробки отвору пластичним деформуванням та діаграма температур нагрівання й охолодження протяжки показано на рис. 5 і рис. 6.

Спосіб реалізується таким чином.

Деформуючий елемент 1, що посаджено на оправку 2 без зазору або з невеликим натягом, просувається в оброблюваній деталі 3 зі швидкістю V у осьовому напрямку, вказаному стрілкою. Посадка з на­тягом призводить до виникнення на посадковій площадці деформаційних радіальних розтягуючих напружень σд. Ці напруження не є небезпечними для деформуючого елементу, оскільки їх рівень на порядок нижчий від межі міцності на згин інструментального матеріалу.

 

 

Для того, щоб посадка деформуючого елементу на оправку здій­снювалась тільки під зоною 4 контакту останнього з деталлю, на по­верхні отвору передбачені конусоподібні ділянки 5. У зоні 4 контакту деформуючого елементу з деталлю виникають контактні напруження q ,для компенсації яких у процесі обробки створюються термічні ра­діальні напруження σт. Швидкість нагрівання Vнагр.та охолодження Vox.інструменту, а також довжину ділянок Lвх. та Lвих., на яких відбу­вається зміна температури інструменту від Т0 до Т1 та від Т1 до Т2, визначають за такими експериментальними залежностями.

Для деталей з кінцевою товщиною стінки:

 

Залежності для визначення температур нагрівання та охолодження є придатними для всіх відомих інструментальних матеріалів, оскільки враховують їх фізико-механічні властивості, геометричні розміри та режими обробки. Якщо інструментальний матеріал задовільно працює на згин, тобто коли межа міцності на згин σ32≥ (1,5÷2)103 МПа, а напруження q у зоні контакту деформуючого елементу з деталлю не перевищують q≤ (3÷4) 103 МПа, рівень термічних напружень σт допустимо вибирати меншим рівня q, тобто здійснювати часткову компенсацію q. У цих випадках температура нагрівання, що необхідна для створення термічних напруг, буде меншою температури Т1, а часом і температури Т2. У останньому випадку немає необхідності охолодження протяжки на виході із деталі.

Ще одним із методів інтенсифікації процесу протягування є введення коливань в зону обробки. Перш за все це стосується протягування важкооброблюваних матеріалів: аустенітних і високолегованих сталей, титану, нікелевих і молібденових сплавів тощо. При деформуючому протягуванні цих матеріалів є небезпека виникнення місточків схоплювання з інструментом (адгезії). Запобігання цьому явищу та руйнування джерел адгезії вирішується коливаннями інструменту.

Відома протяжка, що має кілька деформуючих елементів у вигляді тарілчастих пружин. Ці деформуючі елементи вільно установлені на оправці та можуть імпульсно стискатися упорним кільцем, яке жорстко з'єднане зі штоком, що розміщений усередині оправки. Шток може примусово коливально рухатися в осьовому напрямку, стискаючи деформуючі елементи, тобто збільшуючи їх зовнішній діаметр. Цим створюється імпульсна дія на оброблювану поверхню (А. С. СРСР № 671947). Недоліком протяжки є низька стійкість деформуючих елементів та високий рівень шуму при роботі.

Відома також інша протяжка (А. С. СРСР по заявці № 2698859/08), у якій частина деформуючих елементів має можливість вільно рухатись уздовж осі оправки, тим самим створюючи умови для УЗК- коливань. У цьому випадку процес накладення коливань супроводжується значними втратами на торцях деформуючих елементів та дистанційних втулок.

Введення додаткової енергії ультразвукових коливань (УЗК) в зону обробки підвищує «фіктивну» жорсткість деталі.

На рис. 7 зображено загальний вигляд одного з варіантів УЗК- прошивки, запропонованого нами технічного рішення.

Прошивка складається з оправки 1, на якій розміщені деформуючі елементи 2 і 3, а також дистанційна втулка 4. Між торцями деформуючих елементів, дистанційною втулкою, передньою напрямною 5 і буртом оправки установлені шайби 6-9 із пластичного металу, наприклад із відпаленої міді товщиною 1-3 мм. Оправка і передня напрямна виготовлені зі сталі однієї марки. Деформуючі елементи 2 і 3, дистанційна втулка 4 і тарілчасті шайби 6-9 затиснуті на оправці 1 передньою напрямною 5 і контргайкою 10. Бокові поверхні шайб 6-9 утворені зрізаними конусами, які мають спільні великі основи, й обернені меншими основами від передньої напрямної 5. Шайби контактують без зазору з торцем бурта 11, опорними торцями 12 і протилежними опорними торцями 13 деформуючих елементів, торцями 14 дистанційної втулки і торцем 15 передньої напрямної.

Зовнішні діаметри D шайб менші за зовнішній діаметр Dв дистанційної втулки на подвійну ширину пояска . На площі шириною цього пояска забезпечується безпосередній контакт торця бурта 11 оправки з опорним торцем 12 деформуючого елементу 2, протилежного опорному торцю цього елементу з торцем дистанційної втулки і т. д. Це захищає гострі кромки твердосплавних деформуючих елементів від викришування. Опорні торці 12 твердосплавних деформуючих елементів, які встановлено, наприклад, із твердого сплаву ВК15, утворені зрізаним конусом з кутом конусності Ψ, що знаходиться в межах 90-170°. Цей торець контактує по ширині пояска із торцем бурта оправки 1 або дистанційної втулки 4. Решта поверхні торця 11 бурта оправки або торця 14 дистанційної втулки виконані у вигляді зрізаного конуса з кутом конусності Ψ1, що менша кута Ψ на величину, що визначається залежністю:

 

де Ψ-кут конусності зовнішнього конуса шайби, град; Ψ1- кут конусності внутрішнього конуса шайби, град; D- зовнішній діаметр шайби, мм; d- діаметр отвору шайби, мм.

 Простір між цими конусами заповнено матеріалом шайб 6 і 8. Протилежні опорні торці деформуючих елементів утворені двома зрізаними конусами: перший — з кутом конусності Ψ3, що дорівнює 90-170°, а другий - з кутом конусності Ψ2. Ці кути конусності пов'язані між собою залежністю (7). Другий конус контактує з торцем дистанційної втулки або передньої напрямної. Між протилежними опорними торцями 13 деформуючих елементів і торцем 15 передньої на­прямної або дистанційної втулки розміщені шайби 7 і 9.

Працює прошивка таким чином. Прошивка за допомогою різьбової шпильки приєднується торцем 16 до концентратора ультразвукових коливань. На прошивку подаються коливання. Практика показала, що основною перевагою прошивки є те, що трудомісткість її виготовлення у 1,5-2 рази знижується порівняно з відомою УЗК- прошивкою, оскільки немає необхідності притирання торців її складових частин. Крім того, завдяки відсутності осьових зазорів зменшуються втрати енергії, що підвищує ефективність обробки.

Застосування прошивки дозволяє знизити на 40-70% залишкові напруження першого роду в оброблюваних деталях. Це дозволяє ви­користати деформуюче протягування для обробки деталей тривалого зберігання.

При протягуванні з УЗК глибина зміцненого шару зменшується порівняно з глибиною цього шару після протягування без УЗК, а твердість серцевини деталі в обох випадках однакова.

Таким чином, механізм дії УЗК на процес деформуючого протя­гування полягає в накопиченні малих пластичних деформацій, котрі збільшуються від періоду до періоду за рахунок поступального та коливального рухів, а також у зниженні сил тертя за рахунок зміни кінематики ковзання інструменту. Отже, протягування з накладенням УЗК має також перевагу в запобіганні адгезійних явищ у зоні обробки, тобто в заміні процесу внутрішнього тертя на зовнішнє і, відповідно, зниження коефіцієнта тертя.

Додаткові поздовжні коливання протяжки можуть бути також низькочастотними (НЧК), тобто звуковими. Такий процес деформуючого протягування було перевірено на стенді на базі серійного горизонтально-протяжного верстата, на напрямних якого було розміщено механічний генератор НЧК ексцентрикового типу. У процесі деформуючого протягування робочий орган НЧК здійснював рух, що складався з поздовжнього переміщення з частотою f та амплітудою А. Сумарний рух робочого органу НЧК передавався до оправки протяжки, на якому жорстко кріпився деформуючий елемент. Генератор НЧК забезпечував безступінчасте регулювання частоти коливань у діапазоні f =10-100 Гц та ступінчасте регулювання амплітуди А = 0,4-1,2мм. Натяг на деформуючий елемент знаходився в межах а = 0,02-0,5мм. Досліджувались конструкційні вуглецеві низьколеговані сталі та алюмінієвий сплав АК6.

Досліди показали, що процес із накладенням НЧК може бути ефективним лише тоді, коли амплітуда коливальної швидкості 2πfA є вищою, ніж швидкість протягування. У цьому випадку деформуючий елемент періодично зупиняється відносно оброблюваної поверхні. У момент цієї зупинки відбувається перехід контакту інструменту з виробом з робочого конуса на циліндричну стрічку деформуючого елементу. Натяг на деформуючий елемент у момент його зупинки не перевищує величину пружної деформації оброблюваної поверхні, тобто матеріал деталі перебуває у пружному напружено-деформованому стані.

На величину контактного тиску в момент зупинки деформуючого елементу відносно оброблюваної поверхні впливають: механічні характеристики матеріалу виробу, зокрема модуль пружності та межа текучості; товщина стінки деталі; натяг на деформуючий елемент; довжина циліндричної стрічки останнього. Максимальний контактний тиск у момент зупинки виникає при деформуючому протягуванні з натягами, що є рівними або наближаються до величини пружної деформації оброблюваної поверхні. Цей тиск може перевищувати потрійну межу текучості матеріалу, що обробляється.

Виникнення в момент зупинки високого тиску викликає змі­ну властивостей поверхневого шару, що інтенсифікує процес деформуючого протягування. При цьому для досягнення мінімальної шорсткості та зміцнення цього шару оптимальними є: частота коли­вань — 30-50 Гц; амплітуда коливань — 0,5-1,2 мм; швидкість про­тягування — 2-5 м/хв; довжина циліндричної стрічки деформуючого елементу — 0,3-0,5 мм.

Шорсткість обробленої поверхні знижується до значень Ra= 0,08-0,16 мкм, а твердість поверхні конструкційних сталей зростає до 3 ГПа. При цьому товщина зміцненого поверхневого шару до­сягає величин 0,15-0,2 мм. У цьому шарі виникають залишкові напруження стиску.

Таким чином, деформуюче протягування з накладенням НЧК приводить до принципово нового механізму формування обробленої поверхні за рахунок відносної зупинки інструменту і виробу, а не за рахунок відносного переміщення останніх при звичайному деформуючому протягуванні. З огляду на зміну механіки контактної взаємодії рекомендується використовувати цей процес для застосування зміцнювальної обробки тільки поверхневого шару точних отворів без зміни розмірів деталі, за виключенням мінімального збільшення розмірів отвору за рахунок зниження  висотного параметра шорсткості. Це значно розширює технологічні можливості деформуючого протягування.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.