Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

Д.т.н. Силин Р.И., к.т.н. Гордєєв А.И., к.т.н., Третько В.В.

Хмельницкий национальный университет

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ГИДРОДРОБЕУПРОЧНЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Прогресс развития науки и техники является непрерывным и обязательным условием развития Вселенной. Для развивающегося производства обеспечение заданного ресурса выпускаемой продукции и его дальнейшее увеличение - основная задача конструкторов, технологов, металловедов и метрологов на предприятии. Технологические методы являются наиболее эффективными в решении данной проблемы. Они позволяют повысить точность изготовления деталей и сборки узлов машин, а также обеспечить оптимальное (для данных условий эксплуатации) состояние поверхностного слоя.

С целью увеличения надежности и долговечности деталей машин, путем придания их поверхностному слою необходимых физико-механических свойств, в наше время в машиностроении широко используют различные методы поверхностного пластического деформирования (ППД), которые являются одним из наиболее простых и эффективных методов укрепления. В результате упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием в поверхностном слое обрабатываемых деталей, происходят структурные изменения, повышаются его твердость и прочность, образуются благоприятные остаточные напряжения сжатия, которые сдвигают критические напряжения в область более высоких значений, а также замедляют процесс зарождения и развитие микротрещин, понижается шероховатость обработанных поверхностей. Кроме того, остаточные напряжения сжатия понижают чувствительность поверхности детали к локализации напряжений от внешних усилий вблизи конструктивных и технологических концентраторов. Все это способствует повышению надежности и долговечности деталей, которые особенно подвержены в процессе эксплуатации циклическим нагрузкам.

Применение ППД с низкочастотной вибрацией обеспечивает на поверхности детали регулярный микрорельеф, повышает несущую способность поверхностного слоя. Большое значение в практике машиностроения имеют разнообразные покрытия, повышение качества которых также является актуальной задачей. Опыт показывает, что и здесь можно эффективно применять ППД. Целью ППД являются: образование определенных макро – и (или) микрогеометрических форм (поверхностное пластическое формообразование), уменьшение параметра шероховатости поверхности (сглаживание), изменение размеров до допустимых (калибрующее ППД), изменение структуры материала без его полной рекристаллизации (поверхностный наклеп), создание определенного напряженного состояния (напряженный поверхностный наклеп) и укрепление поверхностным наклепом, что необходимо для изготовления качественных деталей и режущего инструмента.

Несмотря на обилие используемых в машиностроении методов ППД (их насчитывается более тридцати), универсального, эффективного для всей разнообразной применяемой гаммы деталей, не существует. В этой связи, в каждом отдельном случае под конкретную деталь подбирают тот или иной метод ППД, наиболее удовлетворяющий повышению ее эксплуатационных характеристик, будучи при этом экономически целесообразным [1].

Не прекращаются работы и по созданию новых методов ППД, которые бы обеспечивали по сравнению с существующими большую эффективность упрочняющей обработки. Так, например, в последнее время появились лазерное и ультразвуковое упрочнение, ударно-импульсная отеделочно-упрочняющая обработка, ионная имплантация, нанесение покрытий вакуум-плазменным и электронно-лучевым методами, которые при высокой производительности, обеспечивают высокий уровень упрочнения материала поверхностного слоя обрабатываемых деталей и инструментов.

Возросшие требования к производительности, точности и качеству обработки заставляют искать способы повышения прочности, надежности и стойкости режущего инструмента. Важным элементом в решении этих задач

Таблица 1 Влияние упрочнения на

малоцикловую усталость сталей*

Способ обработки	Число циклов до разрушения
	30ГСНА	08Х17Т
Шлифование	7400	6900
Виброшлифование	19 100	19 700
Вибронаклеп	21 000	20 300
Обдувка дробью	24 000	22 300
Пневмодинамический наклеп	–	35 500
Обкатка роликом	24 500	42 000
Обдувка металлическим песком	12 500	11 200
* Гладкие образцы, n = 10 циклов в минуту, σмах =  1360 МПа.

является выбор и осуществление технологического процесса изготовления инструмента. Здесь на финишном этапе становится необходимым введение дополнительной операции местного упрочнения. Наиболее часто местному поверхностному упрочнению подвергаются зоны концентрации напряжений (отверстия, шлицы, резьбы, галтели, пазы, режущие кромки инструмента и т.п.). Результаты влияния обработки приводятся в табл. 1.

Поверхностное упрочнение выполняется в качестве заключительной операции на деталях, прошедших механическую и термическую обработку. Обкатку роликом на фасонных поверхностях проводить сложно и тогда наиболее приемлемым становится использование гидродробеупрочнения. Принимая во внимание вышесказанное, предлагается устройство для гидродробеструйного упрочнения деталей и инструментов, в основу которого положено вибрационный гидропульсатор для получения пульсирующей струи жидкости с высоким динамическим напором без циркуляции через насосную станцию [2]. Благодаря пульсирующей струе жидкости, дробь подается в рабочую зону порционно, что уменьшает потери энергии удара в результате избежание взаимодействия шариков между собой, и производительность обработки значительно повышается. Конструкция установки (рис.1) состоит из рамы 1, на которой закреплена вибратор 2, соединенный с мембраной 3. Камера 4 образует с мембраной 3 гидропульсатор с насадкой 5, имеющей отверстия 6 для отсоса жидкости. На насадке 5 установлены сетка 7 с помощью гайки 8 и сопло 9, на котором расположена трубка 10 с отверстиями. На трубке 10 установлено кольцо 11 с разделительной сеткой 12. На корпусе камеры 4, при помощи насадка 5, закрепленная ванна 13 закрытая крышкой 14. Обрабатываемое изделие 15 устанавливается в крышку 14. Шарики 16 находятся на разделительной сетке 12.

Работа установки происходит следующим образом: На разделительную сетку 12 засыпается дробь 16. В ванну 13 заливается рабочая жидкость. В крышку 14 устанавливается обрабатываемое изделие 15. Включение вибратора 2 вызывает возвратно-поступательное движение мембраны 3. При ходе мембраны 3 вниз жидкость засасывается сквозь сетку 7 и отверстия 6 в камеру 4, увлекая за собой дробь 16, которая попадает в сопло 9. Для эффективности работы дробь 16 должна разместиться в отверстии сопла в один слой и полностью вписаться в контуры отверстия, как это показано на рис. 2. При ходе мембраны вверх возникающее избыточное давление жидкости образует струю, выталкивающую дробь через трубку 10 на изделие 15. При дальнейшей работе вибратора 2 цикл повторяется и таким образом осуществляется поверхностное упроч-нение изделия 15. Благодаря периодичности выброса порций дроби уменьшается рассеивание энергии при соударении дробинок между собой.

Диаметральный размер сопла D_c при разных видах максимально возможной укладки определяем по зависимостям:

- с центральным шаром и укладкой шаров в шестигранники, количество шаров в слое можно найти в зависимости от номера – го шестигранника:

(1)

Тогда диаметр сопла: . (2)

- с отсутствием центрального шара, укладка слоя получается концентрическими треугольниками . Количество шаров в слое:

(3)

Тогда диаметр сопла:

_. (4)

С учетом плотности укладки и обеспечения необходимых зазоров для уменьшения трения между шарами, при их заполнении, окончательно определим внутренний размер сопла (рис.2) за зависимостью:

мм. (5)

Количество приёмных окон принимаем 3 штуки. Высоту

приёмных окон h_в определяем по зависимости:

мм. (6)

Результаты экспериментального исследования обработки, приведенные на рис. 3, показывают, что изменение радиуса скругления режущей кромки резца, и упрочнение идут по экспоненциальному закону и для исследованного случая практически завершаются через 8 минут. При этом уменьшение диаметра шариков ведет к уменьшению радиуса скругления режущей кромки резца.

Гидродробеструйный пульсирующий способ упрочнения - качественно новый процесс, отличающийся от дробеструйного следующими основными преимуществами.
На поверхности детали:

а) остаточные напряжения только сжимающие и, как правило, не имеют практически подслойного максимума;

б) сравнительно низкая шероховатость (Ra = 1,25¸ 0,16 мм) поверхности сохраняется, высокая (Ra = 10¸ 2,5 мкм) повышается до Ra = 2,5 ¸ 1,25 мкм;

в) исключен процесс газонасыщения в связи со снижением температуры в зоне контакта и наличием изоляции поверхностного слоя детали от атмосферы непрерывной жидкой пленкой;

Таким образом, повышение и стабилизация качества деталей при гидродробеструйном способе упрочнения создают предпосылки для широкого применения этого метода обработки как качественного и надежного.

Рис. 3 . Изменение радиуса скругления режущей кромки

Література

1. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей машин и инструмента. – М.: Машиностроение, 1977. –166 с.

2. Пат. на корисну модель 38450 України, МПК В24С1/10. Пристрій для гідродробоструменевого зміцнення виробів / Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв, О.Б. Лаврентьєв (Україна); Хмельницький нац. ун-тет. – u2000036322; Заяв. 18.11.2000; Опубл.15.04.2001, Бюл. № 4. – 3 с.

3. Сілін Р.І. Вібраційне обладнання на основі гідропульсатора: монографія / Р.І. Сілін, А.І. Гордєєв. – Хмельницький: ХНУ, 2007. – 386 с., іл.