Лабораторна робота №4 Вивчення технології обкочування кульовим інструментом

1 МЕТА ЗАНЯТТЯ

1.1 Ознайомитись із технологією поверхневої-пластичної деформації (ППД) – обкочуванням кулею.

1.2 Навчитись обґрунтовувати вибір технологічних параметрів обкочування.

1.3 Дослідити вплив умов обкочування кулею на шорсткість та твердість оброблюваної поверхні.

2 ОБЛАДНАННЯ ТА ІНСТРУМЕНТИ

2.2 Токарно-гвинторізний верстат моделі 1К62.

2.2 Трьохкувачковий патрон.

2.3 Обертовий центр.

2.4 Різець прохідний.

2.5 Кульовий обкатник.

2.6 Зразки шорсткості.

2.7 Прилад для вимірювання твердості.

2.8 Циліндричні зразки діаметром 80 мм із сталі 45.

3 ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

3.1 Cхема процесу, тиск і кратність прикладання деформуючої сили

Кульовий інструмент можна класифікувати по наступних ознаках:

• характеру оброблюваних поверхонь - для зовнішніх циліндричних, для внутрішніх циліндричних і для плоских;

• числу деформуючих елементів - однокульовий і багатокульовий;

• характеру створення деформуючої сили - пружний і жорсткий (деформуюча сила в пружному інструменті створюється за допомогою тарованої пружини, пневматичним або гідравлічним способом, в жорсткому інструменті - завдяки натягу між інструментом і оброблюваною поверхнею).

Кульовий інструмент застосовують також для обробки спеціальних або складнопрофільованих поверхонь: сфер, галтельних переходів, жолобів підшипників і інших.

Залежно від характеру оброблюваної поверхні утворюється певна форма плями контакту, зазвичай це пра­вильна геометрична фігура (еліпс або коло), спотворення пружною і пластичною деформаціями металу.

Для зовнішньої циліндричної поверхні (рисунок 4.1, а) необроблена поверхня знаходиться зліва від лінії М₁КК₁К₂М₂, а оброблена - справа. При статичному втискуванні формою контакту є еліпс з піввісями a, b. Під час обкочування із швидкістю v і подачею S перед кулею утворюється стояча хвиля деформованого металу, а за кулею залишається пластично деформована поверхня. Тому передня частина плями контакту обмежена лінією КК₁К₂, близькою до дуги еліпса, але вона частково виходить за нею через утворення стоячої хвилі, яка охоплює сферичну поверхню кулі. Задня частина плями контакту обмежена лінією, при цьому ділянки КК₃, К₃М, МК₂ є кривими, близькими до дуг відповідних еліпсів. Тому сумарну площу плями контакту можна з достатньою точністю визначити з геометричних співвідношень і ця площа на 30…50 % менша площі еліпса з піввісями а, b.

При обробці різних матеріалів на оптимальних режимах (тиск 1200…3000 МПа) площа контакту F_k = 0,4...1,2 мм².

Співвідношення сил при обкочуванні (рисунок 4.1, в) наступне:

P_z/P_y = 0,07…0,12; P_x/P_y = 0,05…0,1. (4.1)

Враховуючи наведені вище співвідношення, величина рівнодійної R через нормальну силу P_y рівна

R = (1,004…1,012) P_y. (4.2)

Динаміка формування мікропрофілю поверхні у напрямі подачі (рисунок 4.1, б, I—IV) за кожен наступний оберт заготовки обумовлена пластичним і пружним плином металу. Заштрихованими областями показані зони пластичного плину металу в напрямі, протилежному подачі.

Параметр шорсткості Rz, що формується після обкочування інструментом радіусом 1,5…2,0 мм з S = 0,04...0,4 мм/об, можна розрахувати за формулами (рисунок 4.1, г).

(4.3)

П ри обробці однокульовим інструментом S = 0,06...0,4 мм/об, а розмір плями контакту у напрямі подачі - 0,6…1,1 мм, отже, кратність прикладання навантаження N=3...10. Найбільш раціональне значення N = 4...6. При такому значенні досягається найбільш висока продуктивність і забезпечується достатньо висока якість поверхневого шару. Використання багатокульових пристроїв дозволяє збільшити подачу при постійному N.

Рисунок 4.1 - Обкочування поверхні кулею: а – пляма контакту інструменту із поверхнею; б – схема формування мікрогеометрії обкочуванням поверхні у напрямку подачі; в – схема сил, що діють при обкочуванні; г – схема контакту для розрахунку величини Rz: К – рівень вихідної поверхні; АВ – рівень мікронерівностей обкочуваної поверхні; R₁ – радіус впадини обкочуваної поверхні; h – глибина впровадження інструменту

3.2 Вибір технологічних параметрів обкочування

На рисунках 4.2-4.6 показані залежності характеристик поверх­невого шару від режимів обробки, які дозволяють вибрати оптимальні параметри обробки| різних матеріалів. Шорсткість поверхні найінтенсивніше зменшується при питомих навантаженнях 1000…1400 МПа (рисунок 4.2), при цьому оптимальне значення питомого навантаження зростає для більш твердіших і менш пластичних матеріалів; для сталі 20 воно, наприклад, рівне 1400…1750 МПа (Р_у = 500...600 Н); а для сталі У8 — 1800…2200 МПа (Р_у = 950...1250 Н).

Параметр шорсткості прямо пропорційний подачі в другому ступені і обернено пропорційний радіусу кулі (рисунок 4.3). Дані для вибору подачі наведені в таблиці 4.1.

Значний вплив на висотний параметр Rz має початковий параметр шорсткості (рисунок 4.4, а).

Швидкість обкочування і число робочих ходів (рисунок 4.4, в, г) практично не впливають на шорсткість поверхні. Ці параметри слід вибирати по характеристиках зміцнення поверхневого шару.

Таблиця 4.1 – Величина подачі у залежності від основних технологічних параметрів обкочування

Параметр шорсткості, Rz, мкм		Число куль в інстру-менті	S (мм/об) при діаметрі кульки , мм
Після обробки	Початко-вий		6	10	22	40	100
0,4	3,2	1 2 3	0,20 0,40 0,60	0,25 0,50 0,75	0,35 0,70 1,10	0,50 0,10 1,50	0,80 1,60 2,50
0,2	1,6	1 2 3	0,14 0,30 0,35	0,20 0,40 0,60	0,25 0,50 0,75	0,35 0,70 1,00	0,60 1,20 1,80
0,1	1,6	1 2 3	0,10 0,20 0,30	0,15 0,30 0,45	0,20 0,40 0,60	0,25 0,50 0,75	0,40 0,80 1,20
0,05	0,8	1 2 3	0,07 0,15 0,20	0,10 0,20 0,30	0,12 0,25 0,40	0,20 0,40 0,60	0,30 0,60 0,90
0,025	0,8	1 2 3	0,05 0,10 0,15	0,06 0,15 0,20	0,09 0,20 0,30	0,12 0,25 0,40	0,20 0,40 0,60

Рисунок 4.2 - Залежність параметру шорсткості поверхні Rz від тиску обкочування р при Dк=10 мм, S = 0,1 мм/об, v = 80 м/хв: 1 – сталь 20; 2 - ШХ15; 3 – сталь 45; 4 - 20ХН3А; 5 – У8; 6 – 18ХГТ

Рисунок 4.3 - Залежність параметру шорсткості поверхні Rz від подачі S при обкочуванні сталі ШХ15 (р = 1500 МПа; v = 80 м/хв) для різних діаметрів куль: 1 – Dк = 40 мм; 2 - Dк = 20 мм; 3 – Dк = 9,4 мм

Рисунок 4.4 - Залежність параметру шорсткості поверхні Rz від різних умов обробки: а – від вихідного параметру шорсткості Rz_вих; б – від швидкості; г – від числа робочих ходів: 1 – сталь 45 при р = 1200 МПа; 2 – сталь 45 при р = 1700 МПа; 3, 5 – сталь 45; 4, 6 – сталь 20

Твердість поверхні при обкочуванні підвищується для всіх металів, і чим вища міцність оброблюваного матеріалу, тим більший оптимальний тиск обкочування (рисунок 4.5). Твердість значно підвищується до глибини 2 мм, проте на глибині 1,0…1,5 мм підвищення твердості стає незначним (рисунок 4.6). Число робочих ходів і швидкість обкочування не істотно впливають на поверхневу твердість.

Сталі з мартенситно-аустенітною структурою (HRC 53…65) при обкочуванні помітно зміцнюються вже при тиску 1500…1800 МПа, а максимальної твердості досягають при тиску 2700…3000 МПа. При подальшому підвищенні тиску твердість не підвищується, а внаслідок перенаклепу може знижуватися.

Найбільше зростання твердості відбувається у матеріалів із структурою мартенситу, що не піддалися відпусканню. При цьому поверхнева твердість, наприклад, сталей У8, ШХ15, 40Х, збільшується від 15% (ШХ15) до 25% (У8) по відношенню до вихідної.

Рисунок 4.5 – Залежність твердості поверхні від тиску обкочування: а – відносний приріст твердості для різних сталей: 1- армко-залізо; 2 – сталь 20; 3 – сталь 45; 4 – У8; б – твердість для легованих сталей: 1 – 25Х2М1Ф; 2 – 14Х2Н3МА; 3 – ШХ15; 4 – 20ХН3А; 5 – 40Х []

Із загартованих і відпущених сталей найбільш схильні до зміцнення також стали із структурою мартенситу. У сталей із структурою троститу, тростосорбіту і сорбіту твердість збільшується менше. Оптимальний тиск, при якому досягається максимальна твердість, для структур троститу і сорбіту 2100…2300 МПа, нижчий, ніж для мартенситних структур.

Рисунок 4.6 – Розподіл твердості у поверхневому шарі при різних тисках: а – сталь 20; б – сталь – 45: 1 – 1400 МПа; 2 – 1750 МПа; 3 – 2250 МПа; 4 – 2500 МПа

Залишкові напруженнянапруження в поверхневому шарі залежить від тиску, подачі, швидкості, розмірів інструменту, числа робочих ходів, структури і властивостей оброблюваного матеріалу. У міру підвищення тиску зростають абсолютні значення і глибина залягання тангенціальних залишкових напружень, тобто напружень, спрямованих по колу оброблюваної поверхні. Осьові залишкові напруження більші тангенціальних. Із збільшенням діаметру кулі глибина «залягання» напружень зростає, а їх градієнт і абсолютні значення зменшуються. Подача і число робочих ходів інструменту при оптимальних режимах обробки практично не впливають на рівень залишкових напружень. Але збільшення подачі до значення більшого, ніж допустиме, різко зменшує залишкові напруження і глибину їх «залягання», причому для міцніших сталей це виявляється більшою мірою. Якщо сила обкочування менша оптимальної, то із збільшенням числа робочих ходів інструменту до трьох-чотирьох залишкові напруження зростають до значень, відповідних оптимальній силі обробки при одному робочому ході інструменту.

Збільшення швидкості обкочування до 40…50 м/хв не впливає на значення залишкових напружень, вищі швидкості змінюють напружений стан поверхневого шару. Так, при швидкості 3,5 м/хв для сталі 45 формуються напруження стискування з максимальним значенням біля поверхні близько 400 МПа, а при швидкості 186 м/хв їх значення біля поверхні знижується до 250 МПа, а максимум зміщувався у глибину і складав близько 320 МПа.

4 КОНСТРУКЦІЯ ОДНОКУЛЬКОВОГО ОБКАТНИКА

На рисунку 4.7 показано конструкцію однокулькового обкатника прямої дії з пружним підтисканням деформуючої кулі 1. Пристрій закріплюється у різцетримачі токарно-гвинторізного верстата за допомогою пластини кріпильної 10. Для забезпечення мінімального тертя деформуючої кулі 1 об сепаратор 2, передбачена проміжна опора кочення, яка виконана у вигляді кулькового підшипника кочення, встановленого у штоці 7 на осі 4. Створення навантаження між оброблюваною деталлю та деформуючим елементом 1 здійснюється за допомогою пружини 8. Регулювання зусилля забезпечується гвинтом підтискання 9. Положення штока 7 у корпусі 5 здійснюється гвинтом 6.|

Рисунок 4.7 – Однокульковий обкатник з пружним підтисканням деформуючої кулі: 1 – куля; 2 – сепаратор; 3 – кульковий підшипник; 4 – вісь; 5 – корпус; 6 – упор; 7 – шток; 8 – пружина; 9 – гвинт підтискання; 10 – пластина кріпильна

5 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

5.1 Встановити заготовку в центрах верстата, обкатник - в різцетримач супорта верстату.

5.2 Оцінити середнє арифметичне відхилення профілю Rа на всіх проточених ділянках шляхом порівняння із зразками шорсткості.

5.3 Вибрати технологічні параметри обкочування (по рисунках 4.2-4.6 і таблиці 4.1) для заданого зразка і геометричного параметру – діаметру деформуючої кулі.

5.4 Здійснити обкочування поверхні зразка при визначених параметрах.

5.5 Оцінити шорсткість обкоченої поверхні.

5.4 Заміряти твердість обкоченої поверхні.

6 ОФОРМЛЕННЯ ТА ЗАХИСТ ЗВІТУ

Звіт повинен містити:

• ескізи зразків із зазначенням марки оброблюваного матеріалу, його характеристики, розміри до і після обробки;

• ескізи заготовки і обкатника;

• обґрунтування технологічних параметрів обкочування;

• виконати аналіз та зробити висновки.

7 КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

7.1 Суть процесу обкочування.

7.2 Класифікація кульових інструментів.

7.3 Опишіть геометрію контакту деформуючої кулі та оброблюваної циліндричної поверхні.

7.4 Сили обкочування. Співвідношення між окремими складовими рівнодійної сили обкочування.

7.5 Взаємозв’язок параметрів шорсткості із технологічними параметрами обкочування.

7.6 Як параметри обкочування впливають на твердість обкоченої поверхні?

7.7 Опишіть характер впливу технологічних параметрів на твердість обкоченої поверхні.

7 РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА [4, 6, 7]