Лабораторна робота №5 Зміна шорсткості і твердості поверхні при обкочуванні роликом

1 МЕТА ЗАНЯТТЯ

1.1 Ознайомитись із технологією поверхневої-пластичної деформації (ППД) – обкочування роликом.

1.2 Дослідити вплив умов обкочування роликом на шорсткість оброблюваної поверхні.

1.3 Дослідити вплив умов обкочування роликом на твердість оброблюваної поверхні.

2 ОБЛАДНАННЯ ТА ІНСТРУМЕНТИ

2.1 Токарно-гвинторізний верстат моделі 1К62.

2.2 Трьохкулачковий патрон.

2.3 Обертовий центр.

2.4 Різець прохідний.

2.5 Роликовий 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 Характеристика методів обкочування

У сучасному машинобудуванні є тенденція до заміни обробки металів різанням обробкою тиском в холодному стані, що дає ряд переваг перед обробкою різанням, зокрема, поліпшення і зміцнення поверхневого шару. Причому у виробничих умовах така заміна використовується як у випадках остаточної обробки поверхонь, заздалегідь підготовлених різанням, так і в процесі формоутворення нових поверхонь.

Механічні способи зміцнення робочих поверхонь деталей засновані на здатності металів до деформацій і відповідного зміцнення поверхневих шарів металу в результаті дії зміцнюючо-калібруючого інструменту на оброблювану поверхню.

Способи механічного поверхневого зміцнення деталей машин вигідно відрізняються від інших методів зміцнення (термічних, хіміко-термічних, хімічних, електрохімічних і інших) тим, що при обробці тиском забезпечують обробку деталей з досить високою точністю розмірів (вище 7 - 8 квалітетів). Параметр шорсткості Rа, при цьому, забезпечують в межах від 1,25 до 0,32 мкм. При поверхневій механічній обробці відбувається необхідне деформаційне зміцнення металу. При цьому в поверхневому шарі оброблюваного металу виникають зазвичай сприятливі залишкові стискуючі напруження.

При обробці зовнішніх поверхонь тіл обертання (валів) широке використання як викінчувальна операція отримало обкочування роликами. Під дією ролика, твердість якого вища за твердість оброблюваного матеріалу, відбувається деформація виступаючих нерівностей оброблюваної поверхні: метал виступів мікронерівностей "розтікається" в обидві сторони, заповнюючи суміжні западини; шорсткість поверхні при цьому зменшується. Широко використовують таку зміцнюючу обробку при виготовленні деталей різних машин та механізмів, зокрема, для нафтового обладнання. Так, зміцнення обкочуванням штока насосу підвищує його довговічність від чотирьох до шести разів.

Як видно з схеми, при пластичній деформації мікронерівностей утворюється не лише новий рельєф поверхні, але і змінюються розміри деталі. У місці контакту ролика з оброблюваною поверхнею виникає об’ємно-напружений стан, який призводить до зміни таких фізичних характеристик поверхневого шару металу як твердість, міцність та межа текучості.

Значення цих характеристик залежать від режимів обкочування:

• зусилля обкочування Р;

• подачі S;

• діаметру ролика d_р;

• числа робочих ходів n.

Висота мікронерівностей в процесі обкочування помітно зменшується при збільшенні контактного тиску і зменшенні величини подачі. Висоту нерівностей R_Z, мкм, при обкочуванні поверхні роликом можна розрахувати за формулою

(5.1 )

де R_zo- початкова висота нерівностей, мкм;

k_c - коефіцієнт, який залежить від способу чистової обробки: при обкочуванні кулькою k_c = 0,0076; при обкатуванні роликом k_c = 0,00715;

 - коефіцієнт, який залежить від характеру розподілу напружень у зоні деформації: при обкочуванні кулею  = 6,0; при обкочуванні роликом  = 6,5;

_s - межа текучості оброблюваного металу, Н/мм²;

q - величина тиску обкочування, Н/мм².

Дослідами встановлено, що для приблизних розрахунків

q = (1,8….2,2)_т ,

де _т - тимчасовий опір (границя міцності).

Якщо відома сила обкочування Р, то q можна знайти за формулою

(5.2)

де Е - модуль пружності оброблюваного матеріалу, Н/мм²;

b₁ - ширина контакту ролика з оброблюваною деталлю, мм;

D, d - діаметр оброблюваної деталі і ролика, відповідно, мм;

Число робочих ходів і швидкість обкочування в меншій мірі мають вплив на шорсткість поверхні.

3.2 Характеристика зміцнення

В процесі обкатування поверхні кулькою або роликом відбувається деформаційне зміцнення поверхневого шару. Глибина зміцненого шару деталі може змінюватися у великих межах, від декількох мікрометрів до десятих долей міліметра. Міра зміцнення і величина залишкових напружень змінюються по глибині зміцненого шару. Про міру зміцнення деталі можна судити за результатами заміру твердості поверхневого шару.

4 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

4.1 Встановити заготовку в центрах верстата, різець - в різцетримач супорта верстату.

4.2 Встановити режим різання: S = 0,3 мм/об; t = 0,2…0,5 мм; v = 2,5 м/с.

4.3 Проточити з однією установкою всі ділянки заготовки.

4.4 Виміряти мікрометром діаметри всіх ділянок в двох взаємно-перпендикулярних перетинах.

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

4.6 В різцетримачі на місце різця встановити роликовий обкатник (рисунок 5.1).

4.7 Встановити режими обкочування: S = 0,2 мм/об, v = 0,5 м/с.

4.8 Встановити для першого ділянки зусилля обкатування P₀₁. Для цього, підвести обкатник до торкання роликом поверхні першої ділянки і обертанням гвинта навантаження зробити подачу на 0,1 мм. Обробити ділянку за один робочий хід. Повторити вказані прийоми для інших ділянок, послідовно змінюючи тиск обкочування, кожного разу збільшуючи подачу на 0,1 мм.

4.9 Обкотити різні ділянки з різною швидкістю подачі s.

4.10 Виміряти діаметри і оцінити шорсткість поверхні на всіх ділянках.

4.11 Виміряти твердість вихідної і обкоченої поверхонь.

5 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;

• розрахунки теоретичної висоти мікронерівностей, отримані по формулі 5.1 і тиски по формулі 5.2. Результати дослідів звести в таблицю;

• графіки залежностей шорсткості поверхні від зусилля і подачі;

• виконати аналіз та зробити висновки.

Таблиця 5.1 – Зведена таблиця дослідних даних

Режими обкочування	Шорсткість поверхні Ra або Rz, мкм		Твердість поверхні, HRC		Виличина тиску, q
	вихідної	обкоченої	вихідної	обкоченої
v=30 м/хв
S=0,2 мм/об
P01
P02
P03
P04
v=30 м/хв
P0=1000 H
S1
S2
S3
S4

6 КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

6.1 Що більше впливає на шорсткість обкоченої поверхні: величина тиску чи подачі?

6.2 Від чого залежить глибина зміцненого шару?

6.3 Як оцінюється міра зміцнення деталі?

6.4 Які методи зміцнюючо-калібруючої і формоутворюючої обробки металів Ви знаєте?

Рисунок 5.1 – Схема роботи роликового обкатника: 1 – патрон верстату; 2 – заготовка; 3 – роликовий обкатник; 4 – різцетримач; 5 – задній центр; 6 – динамометр роликового обкатника

7 РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА [4, 6, 7]