Модернизация станка Nagel

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Анализ исходных данных

1.1.1 Проблемы долговечности коленчатого вала

Одной из основных деталей, определяющих надежную работу двигателя в целом, является коленчатый вал, служебное назначение которого - преобразование возвратно-поступательного движения шатунно-поршневой группы во вращательное движение маховика. Условия работы коленвала являются сложными и включают в себя знакопеременные нагрузки, износ в условиях граничного трения скольжения. Виды разрушений, возникающих в данных условиях, таковы:

1. усталостное выкрашивание, возникающее из-за переменных контактных напряжений, которые приводят к появлению микротрещин, расклиниваемых в свою очередь смазкой;

2. абразивный износ. Объясняется тем, что в антифрикционный слой работающего вкладыша, несмотря на применяемые уплотнения и фильтры, вкрапливается много твердых частиц (продуктов износа деталей, абразивных частиц, засасываемых в цилиндры с воздухом, и др.), вызывающих износ рабочих поверхностей;

3. при работе двигателя с частотой вращения коленчатого вала, меньшей заданной по режиму, возможны задиры и заклинивания из-за недостаточной подачи масла к трущимся поверхностям вследствие малой производительности масляного насоса и отсутствии масляного тумана в картерах;

4. при работе с частотой вращения коленчатого вала, превышающей заданную по режиму, задиры и заедания также возможны вследствие большой работы трения и значительного нагрева трущихся деталей.

Практически основные дефекты коленчатого вала, выявляемые в процессе эксплуатации до капитального ремонта, следующие:

- изгиб;

- износ коренных и шатунных шеек;

- износ боковой поверхности шпоночных пазов;

- износ шеек под передний и задний сальники и под смазочный подшипник;

- срыв и износ резьбы под храповик, маховик-вентилятор и соединительную муфту;

- износ отверстий во фланце коленчатого вала под установочные штифты или под болты крепления маховика.

Ремонт коленчатого вала двигателя начинают в случае увеличения диаметрального зазора в подшипнике, выкрашивания или появления задиров на поверхности вкладыша и шеек [3]. Внешним признаком указанных дефектов являются стуки в двигателе и резкое снижение масла в системе смазки. Вкладыши коренных и шатунных подшипников, кроме того, периодически заменяют и независимо от степени их износа в целях повышения долговечности работы коленвала без перешлифовки. Необходимость принудительной замены вкладышей объясняется тем, что в антифрикционный слой работающего вкладыша вкрапливается много твердых частиц (продуктов износа деталей, абразивных частиц, засасываемых в цилиндры с воздухом, и др.), вызывающих износ поверхностей шеек коленчатого вала [7].

Видно, что качество и точность исполнительных поверхностей коленвала должны быть на высоком уровне. Технические требования, предъявляемые к шатунным и коренным шейкам, таковы:

- точность исполнения - 6 квалитет с допуском на диаметральный размер = 20 мкм и отклонением от цилиндричности = 5 мкм;

- качество поверхности - шероховатость = 0,32 мкм;

- твердость поверхности = 50 HRCэ на глубину 2…3 мм.

1.1.2 Анализ недостатков существующего техпроцесса

В качестве заготовки используется отливка из чугуна ВЧ-75-03. Использование чугуна в качестве конструкционного материала для столь ответственной детали объясняется его отличными литейными свойствами, что позволяет изготавливать отливки 1 класса точности с наименьшими припусками под обработку. Например, суммарный припуск для обработки шеек, включающий фрезерование, предварительное и окончательное шлифование с закалкой ТВЧ, составляет 2,6 мм.

Высокопрочный чугун представляет собой чугун с шаровидным графитом. Химический состав и механические свойства чугуна ВЧ-75-03 представлены в таблице 1. Структура металлической основы чугунов с шаровидным графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, т.е. зависит от химического состава чугуна, скорости охлаждения, толщины стенки отливки и т.д. Первое число в маркировке показывает предел прочности при растяжении, второе - относительное удлинение. Так, чугун ВЧ-75-03 характеризуется пределом прочности 750 МПА (75 кгс/ммІ) и относительным удлинением 3%.

Таблица 1 - Химический состав и механические свойства чугуна ВЧ-75-03

C,%	Si,%	Mn,%	Ti,%	Cr,%	Ni,%	Mo,%	Mg,%	ув,МПа	ут,МПа	у,%	HB
3,4	3,45	0,72	0,05	0,11	1,2	0,42	0,05	750	50	3	50-300

Чугуны, модифицированные магнием, имеют более высокие механические свойства, чем обычный серый чугун, и приближаются по свойствам к стали. Чугуны с шаровидным графитом применяют для самых ответственных деталей, например для коленчатых валов, кулачковых валиков и др. Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна является экономически выгодной. Например, при подсчете экономической эффективности замены стального коленчатого вала дизеля чугунным оказалось, что заготовка литого коленчатого вала из высокопрочного чугуна в три раза легче заготовки из легированной стали. Общие затраты на изготовление чугунного коленчатого вала в 3,5 раза меньше, чем на изготовление стального [10].

Вместе с тем возникает серьезная проблема обеспечения их прочности и надежности в эксплуатации. Трудность состоит в том, что пределы выносливости чугуна почти в 2 раза ниже, чем у легированных сталей, обычно используемых для изготовления коленчатых валов, а также чугун обладает весьма малой пластичностью и высокой хрупкостью.

В этих условиях применение коленчатых валов из чугуна может быть осуществлено только при использовании, с одной стороны, преимуществ литья для получения рациональных форм колен и понижения общей неравномерности рабочих напряжений, а с другой стороны, направленного повышения сопротивления разрушению в зонах концентрации напряжений путем эффективного поверхностного упрочения.

В качестве средства упрочения валов первоначально использовали азотирование, которое одновременно служило для повышения износостойкости шеек. Однако опыт эксплуатации двигателей показал, что хрупкий азотированный слой обладает низким сопротивлением разовым перегрузкам. Такие перегрузки оказались присущими и вызвали заметное число разрушений, связанных с образованием хрупких трещин в азотированном слое. Причинами таких перегрузок явились в основном гидроудары припусках вследствие накопления воды в цилиндрах из системы охлаждения [7].

Механические и физические свойства коленвала, необходимые для его эффективной эксплуатации, достигаются в основном на финишных операциях. Твердость поверхностного слоя = 50 HRCэ обеспечивается закалкой ТВЧ, точность размеров по 6-му квалитету достигается на шлифовальных станках, а качество поверхности формируется при полировке. Однако, рассмотренные выше недостатки, в том числе низкая износостойкость коренных и шатунных шеек, являются следствием неоптимального микрорельефа поверхностного слоя образуемого в результате того самого полирования, представляющего собой операцию резания абразивным материалом.

К основным особенностям и недостаткам способов чистовой обработки резанием относятся [24]:

1. заостренная форма выступов и впадин образующихся микронеровностей; в этом отношении наиболее неблагоприятный микрорельеф образуется при шлифовании;

2. относительно низкая несущая способность, обусловленная заостренной формой микронеровностей и соответственно малой опорной поверхностью при начальных сближениях в процессе приработки;

3. прямая зависимость между шагом и высотой микронеровностей и, как следствие, малая маслоемкость высокочистых поверхностей;

4. невозможность регулирования формы микронеровностей при одной и той же их высоте;

5. незначительные пределы возможного изменения формы и расположения микронеровностей во всем интервале обеспечиваемой ими шероховатости поверхности;

6. высокая степень неоднородности (нерегулярность) микрорельефа.

Перечисленные органические недостатки подавляющего большинства способов чистовой обработки резанием затрудняют решение следующих важных задач [25]:

1. сохранение целостности волокон металла, способствующее повышению всех его эксплуатационных характеристик;

2. сочетание малых по высоте шероховатостей с упрочнением поверхностного слоя, обеспечивающее высокие эксплуатационные свойства деталей, особенно при циклических нагрузках;

3. незначительный нагрев, исключающий образование таких дефектов, как отпуск поверхностных слоев термически обработанных деталей, прижоги и т.п.;

4. отсутствие шаржирования в поверхность инородных частиц (имеющего место при всех видах абразивной чистовой обработки), позволяющее сохранить чистой поверхность даже таких мягких пластичных металлов, как медь и алюминий, что в ряде случаев является обязательным условием;

5. создание поверхностей с большой опорной плоскостью не только повышающее их износостойкость, но ускоряющее прирабатываемость и улучшающее условия труда на трение;

6. возможность улучшения шероховатости поверхности на 3-5 классов за один проход, делающая чистовую обработку во многих случаях значительно более производительной, чем резцовую и, особенно, чем абразивную обработку.

Важность и актуальность этих задач определяют необходимость выполнения широкого круга работ по совершенствованию применяемых способов отделочной обработки и применению новых процессов, свободных от перечисленных выше недостатков.

1.1.3 Анализ недостатков существующего оборудования для финишной обработки

Специальный автомат для полирования шеек коленвала NAGEL представляет собой агрегат, состоящий из станины, шпиндельной бабки, задней бабки, полировальных рычагов, гидравлического бака вместе с электромагнитами гидрораспределителей, системы смазки и охлаждения. Отдельно от станка выполнен силовой электрошкаф вместе с пультом управления. Загрузку деталей на станок выполняет портальный робот - манипулятор с электроприводом.

Автомат предназначен для встраивания в автоматические линии и обработки коленчатых валов в условиях массового производства. Применяемый на операции инструмент - абразивная лента марки 15А М40П С2 К на бумажной основе. Станок довольно удачно скомпонован, имеет хорошо обозримую зону обработки, которая располагается с лицевой стороны. К сожалению, зона является совершенно открытой, не предусмотрено никаких экранов или защитных щитов, что является недостатком с точки зрения техники безопасности - вся СОЖ, которая имеется на полировальных рычагах, разбрызгивается вокруг станка при их энергичном сжатии на шейках вала. Система охлаждения обеспечивает подачу СОЖ ко всем полируемым шейкам и работает от автономного электронасоса. В результате полировки заготовок образуется мельчайшая стружка в виде пыли, которая забивает трубоотводы для стока СОЖ. Для ее очистки в данном случае используется магнитный сепаратор и продувка каналов для подачи СОЖ сжатым воздухом перед каждым циклом обработки, что является довольно эффективным способом удаления стружки из системы охлаждения.

Привод главного движения состоит из шпинделя, вращение которому сообщает электродвигатель через цепную передачу с передаточным числом і=1,33. Двигатель является асинхронным, мощность N=5,25 кВт, частота вращения n=174 об/мин. Частота вращения шпинделя n=130 об/мин. Интерес представляет механизм осцилляции, расположенный в шпиндельной бабке, предназначенный для сообщения валу продольного возвратно-поступательного движения. Его привод состоит из гидроцилиндра, сообщающего движение шпинделю через эксцентрик. Шпиндель является двухопорным, причем в качестве передней и задней опор применены роликовые подшипники, позволяющие ему смещаться в продольном направлении во время обработки. При остановке шпиндель фиксируется специальным механизмом фиксации. Полировальные рычаги представляют собой клещи с небольшим усилием зажима, неподвижно закрепленные для коренных шеек и расположенные на опорах для шатунных шеек. Во время обработки рычаги с полировальной лентой обхватывают шейки вала, опоры отводятся, и шатунные рычаги остаются висеть лишь на шейках, поддерживаемые от падения с обратной стороны пружинами. В конце цикла шпиндель ставиться в определенное - исходное положение, опоры вновь подводятся к полировальным рычагам, и они освобождают шейки вала от зажима.

Загрузчик представляет собой робот-манипулятор с электроприводом, имеющий одну руку, держащую два вала, переворачиваемых в вертикальной плоскости.

Станок имеет ряд недостатков, связанных, как с несовершенством технологии, так и с конструктивными недоработками отдельных узлов. Основные из них следующие:

- малая производительность процесса (61 деталь в час по сравнению с предыдущей операцией правки радиального биения - 71 шт/час), в связи с чем перед операцией постоянно возникают скопления валов, которые периодически разгружают, полируя их на дополнительном станке. Дополнительный станок не включен в состав поточной линии, т.е. не снабжен автоматизированной загрузкой, и перенос коленвалов осуществляется вручную. Ухудшаются, таким образом, и условия труда;

- разброс размеров всех шеек, выходящих иногда за пределы допуска. Проблема возникает из-за того, что для полировки шеек применяют разную ленту (из разных упаковок, от разных производителей), имеющих, хотя и одну маркировку, но, вероятно, несколько разные свойства, разное качество и т.п. Обработка всего вала осуществляется сразу, на одной позиции, припуск составляет 5 мкм, допуск на размер - 20 мкм, вал содержит 9 шеек и поэтому занижение диаметра на шейках, имеющих критические размеры, вполне вероятно;

- охлаждающие средства, применяемые на операции (керосин, РЖ-9) опасны для здоровья и ухудшают условия труда, причем станок снабжен не защитным экраном, а лишь сетчатым ограждением;

- частый останов станка из-за поломок портального манипулятора, где из строя выходит редуктор (излом вала, зубьев передач), схват (потеря усилия зажима, достаточного для надежного удержания заготовки), теряется точность позиционирования из-за ненадежного закрепления концевых выключателей;

- частый выход из строя полировальных рычагов - незначительное смещение их положения на опорах приводит к ненадежному зажиму шеек и выбиванию рычагов из рабочей зоны во время обработки.

Таким образом, практика эксплуатации показывает существенные недостатки в работе станка, связанные как с конструктивными недоработками, так и с особенностями метода обработки, тем самым вызывая необходимость его модернизации.

1.2 Современные методы повышения долговечности деталей

Методы упрочнения металлов можно условно разделить на шесть основных классов (табл. 2) [15]. Методами одного класса осуществляются процессы различных типов. Внешние условия протекания процессов неодинаковы: в газовой среде; в жидкости; в пасте; без использования или с использованием теплоты при нормальном, повышенном или высоком давлении; в низком, среднем или высоком вакууме; в атмосфере водяного, водогазового или ионного пара; в контролируемых атмосферах экзогаза или эндогаза; в электропроводящей или диэлектрической среде; в среде с поверхностно-активными или абразивными свойствами; в магнитном, электрическом, гравитационном или термическом поле. Выбор сочетаний внешних условий и характеризует специфические особенности технологических процессов.

Таблица 2 - Современные методы упрочнения металлов

Класс методов упрочнения	Метод	Типы процессов
1	2	3
Упрочнение изменением шероховатости поверхности	Электрохимическое полирование Обработка резанием Пластическое деформирование	Окунание в ванну (в струе электролита) Суперфиниширование Хонингование Накатка Раскатка
Упрочнение созданием пленки на поверхности изделия	Осаждение химической реакции Электролитическое осаждение Осаждение твердых осадков из паров Напыление износостойких соединений	Химическое оксидирование, никелирование, кадмирование, фосфатирование, нанесение упрочняющего смазочного материала, осаждение из газовой фазы Электролитическое хромирование, никелирование, никельфосфатирование, борирование, борохромирование, хромофосфатирование Электроискровое легирование, катодноионная бомбардировка, прямое электроннолучевое испарение, реактивное электроннолучевое испарение, электрохимическое испарение, термическое испарение тугоплавких соединений Плазменное напыление порошковых материалов, детонационное напыление, лазерное напыление
Упрочнение изменением химического состава поверхностного слоя металла	Диффузионное насыщение	Химико-термическое нитрооксидирование, нитроцемментация, цементация, карбонитрация, карбохромирование, аэротирование, хромоазотирование, борирование, хромосилицирование, цианирование, хромоалитирование, борохромирование, сульфоцианирование, диффузионное никелирование, бороцаркование, циркосилицирование, легирование маломощными пучками ионов
Упрочнение изменением структуры поверхностного слоя	Физикотермическая обработка Электрофизическая обработка Механическая обработка Наплавка легированного металла	Лазерная закалка, плазменная закалка Электроимпульсная обработка, электро-контактная обработка, электроэрозионная обработка, ультразвуковая обработка Упрочнение вибрацией, фрикционно-упрочняющая обработка, дробеструйная обработка, обработка взрывом, термо-механическая обработка, прокатывание, волочение, редуцирование, термопластическая обработка Наплавка газовым пламенем, электрической дугой, плазмой, лазерным лучом, пучком ионов
Упрочнение изменением энергетического запаса поверхностного слоя	Обработка в магнитном поле	Электроферромагнитная обработка, обработка в импульсном магнитном поле

В качестве средства упрочнения валов первоначально использовали азотирование [17], которое служило методом повышения износостойкости шеек. Однако опыт эксплуатации двигателей показал, что хрупкий азотированный слой обладает низким сопротивлением разовым перегрузкам. Такие перегрузки оказались присущими и вызвали заметное число разрушений, связанных с образованием хрупких трещин в азотированном слое. Причинами таких перегрузок явились, в основном, гидроудары при пусках вследствие накопления воды в цилиндрах из системы охлаждения.

1.3 Методы ППД

Область эффективного применения холодной бесштамповой обработки давлением весьма широка, выявляются все новые возможности этой технологии. Считавшиеся до некоторого времени предельными значения временного сопротивления 150-170 кг/мм² и твердости 38-40 HRC, свыше которых обработка металлов давлением в холодном состоянии не рекомендовалась, оказались заниженными [24]. Исследования [25] показали возможность значительного упрочнения и улучшения шероховатости поверхности сталей, закаленных до твердости выше 55 единиц HRCэ.

Разнообразно применение методов холодной бесштамповой обработки:

- для формообразования - придания заготовке требуемой формы и размеров;

- для калибрования - повышения точности формы и размеров;

- для отделки - достижения требуемой шероховатости поверхности;

- для упрочнения - улучшения физико-механических свойств.

В таблице 3 приведена классификация методов бесштамповой обработки давлением, ориентировочно определяющая возможности и область рентабельного применения каждого из них, принципиальную схему и основные качественные характеристики.

В соответствии с ГОСТ 18296-72 методы ПДД подразделяются на статические и ударные. При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р. Происходит плавное перемещение очагов (очага) воздействия, которые последовательно проходят всю поверхность, подлежащую обработке.

Инструментами при ППД могут быть ролик, шар с принудительной осью вращения или без нее, гладилка, дорн с не режущими кольцами, боек-чекан и т.д. В качестве рабочих тел при ППД могут быть использованы дробь, шарики из стали, стекла, пластмассы и др. Рабочей средой при ППД могут быть жидкость, газ и их суспензии с частицами абразива.

Статические методы ППД, как правило, обеспечивают меньшую шероховатость поверхности с благоприятной формой микронеровностей. С помощью ударных методов можно достичь большой степени упрочнения, которая характеризуется степенью повышения микротвердости, значениями сжимающих остаточных напряжений и толщиной упрочненного слоя.

Таблица 3 - Классификация методов ППД

Метод	Сущность метода, обрабатываемые поверхности, оборудование, характер производства
1	2
Упрочняющее обкатывание	Качение инструмента (ролик, шар) по обрабатываемой поверхности, для плоских и выпуклых поверхностей - обкатывание, для внутренних поверхностей - раскатывание. Поверхности тел вращения типа втулок, валов и плоские поверхности, HRCэ 45-55. Универсальное и специальное оборудование. Серийное и массовое производство.
Выглаживание	Скольжение инструмента по локально контактирующей с ним поверхности. Поверхности тел вращения, HRCэ<70. Тонкостенные и неравножесткие детали. Универсальное оборудование. Единичное и серийное производство.
Вибрационное накатывание Вибрационное выглаживание	Накатывание или выглаживание при вибрации инструмента (шар, выглаживающий наконечник) по касательной к поверхности деформируемого металла. Поверхности тел вращения и плоские поверхности. Универсальное оборудование. Единичное и серийное производство.
Дробеструйная обработка Дробеметная обработка Гидродробеструйная обработка	Удары дроби по деформируемому металлу. Дробь - круглые тела из различных материалов. В зависимости от источника кинематической энергии (струя газа, жидкость, газ с жидкостью, вращение ротора (дробемета)) обработка называется гидродробеструйной, гидропневмодробеструйной, дробеметной и т.д. Поверхности различной конфигурации, HRCэ<55. Специальное оборудование. Серийное и массовое производство.
Ультразвуковая обработка	К постоянной силе добавляется сила ударов ультразвуковых колебаний. Поверхности тел вращения. Универсальное оборудование, оснащенное ультразвуковым генератором и головкой. Единичное и серийное производство.
Ударное раскатывание	Ролики создают удары в момент прохождения выступающих элементов опоры. Поверхности типа втулок и труб, HRCэ<50. Универсальное и специальное оборудование. Серийное и массовое производство.
Вибрационная ударная обработка	Удары инструмента по обрабатываемой поверхности под действием центробежной силы. Поверхности тел вращения и плоские поверхности, HRCэ<50. Универсальное оборудование. Серийное и массовое производство.
Обработка механической щеткой	Удары концами проволоки вращающейся механической щетки. Поверхности различной конфигурации, HRCэ<55. Универсальное и специальное оборудование. Единичное, серийное и массовое производство.

1.4 Сущность холодной пластической деформации металлов

Обработка металлов давлением в холодном состоянии основана на использовании их пластических свойств, т.е. способности в определенных условиях иметь под влиянием внешних сил, действующих статически или динамически, остаточные деформации без нарушения целостности. Заготовке придаются требуемые форма, размер и шероховатость поверхности за счет перераспределения ее элементарных объемов. При этом исходный объем заготовки остается постоянным. Одновременно с пластической деформацией металла здесь имеет место и упругая деформация.

Механизм упругой и пластической деформации объясняется современной теорией следующим образом. В зависимости от величины прилагаемого усилия происходит лишь временное изменение межатомных расстояний в объемной кристаллической решетке обрабатываемого металла или внутрикристаллические и межкристаллические сдвиги. Если деформация носит временный характер и при удалении действующей нагрузки полностью исчезает, то тело принимает исходную форму. Когда прилагаемые силы достигают определенного значения, помимо упругой деформации появляется пластическая (остаточная) деформация, сохраняющаяся после удаления усилия, и тело приобретает новую форму.

Пластическая деформация, внешним проявлением которой является необратимое изменение формы и размеров металлического тела без нарушения его сплошности, заключается в принудительном необратимом перемещении отдельных атомов или группы их, представляет собой сложнейший процесс, изучение и управление которым осложняется многими факторами.

Все без исключения технические металлы являются сплавами, содержащими в тех или иных количествах растворимые или нерастворимые примеси и характеризующимися неоднородностью структуры. Поэтому некоторые исследователи [25] отрицают возможность установления количественных закономерностей между напряжениями и деформациями в реальном неоднородном металле. В связи с этим в математической и прикладной теории пластичности отвлекаются от реального строения физически и химически неоднородного металла с изменяющимися в процессе деформации свойствами и рассматривают его как однородное тело. В результате ограничиваются лишь качественным изучением процессов, протекающих при деформации металлов, а численные зависимости получают в прикладной теории пластичности.

Сложность изучения процессов пластического деформирования металла обусловлена также тем, что при данных исходных механических свойствах величина сопротивления металла пластическому деформированию непрерывно изменяется одновременно с изменением механических свойств; изменения эти по своему характеру неоднородны. Поэтому при расчетах параметров режима обработки металлов давлением необходимо предварительно экспериментально устанавливать характерную для данного металла функциональную зависимость, связывающую его сопротивляемость пластическому деформированию с величиной деформации.

Механизм пластической деформации и процессы, протекающие при пластическом деформировании реального технического металла, зависят не только от строения и свойств металла, но также от температуры и скорости деформации. От этих же факторов зависят результаты обработки пластическим деформированием и, в частности, свойства деформированного металла.

В теории обработки металлов давлением под горячей деформацией понимают деформацию, производимую при температуре, превышающей температуру рекристаллизации. Деформацию, осуществляемую при температуре более низкой, чем температура рекристаллизации, называют холодной деформацией.

Поскольку температура рекристаллизации подавляющего большинства технических металлов значительно выше температуры окружающей среды, холодная деформация в производственных условиях почти во всех случаях осуществляется при температурах значительно более низких, чем температура рекристаллизации, разупрочнение металла не происходит, структура металла четко отражает все изменения, происходящие в ней в процессе деформации, а пространственная решетка получает искажения, которые приводят к росту внутренней потенциальной энергии. Для холодной деформации характерны следующие основные явления: сдвиговая деформация, изгибание пространственной решетки, двойникование, блокообразование и поворот блоков.

Сдвиговая деформация [25]. Многочисленные экспериментальные исследования и теориттические расчеты свидетельствуют о наличии при деформации металла линий скольжения, характеризующих сдвиги одних частей монокристалла или кристаллитов относительно других. В поликристалле сдвиговая деформация начинается сначала в кристаллитах, плоскости скольжения которых расположены под углом 45? к линии действия наибольшего главного напряжения. Но вследствие отклонений в строении реальной кристаллической решетки от идеальной возникает несоответствие. При идеальном строении кристаллов развитие пластической деформации можно представить как соскальзывание параллельных плоскостей одновременно по всей поверхности сдвига. Однако экспериментальные исследования показывают, что такое представление неточно. На самом деле [24] пластическая деформация зарождается в небольших объемах, и в ней одновременно участвует незначительное число атомов кристаллической решетки.

Двойникование [25]. Помимо скольжения внутри кристаллов при пластическом деформировании наблюдается одновременно скольжение - перемещение по системе атомных плоскостей на расстояние, не кратное межатомному, и поворот деформированной части кристалла в зеркальное положение по отношению к исходному - недеформированному. Такое явление называют двойникованием. Оно, как правило, наблюдается при динамических ударных воздействиях, сопровождается резким снижением скалывающих напряжений и во многих случаях свидетельствует о близком разрушении металла. Двойникование может сопутствовать скольжению.

Изгибание пространственной атомной решетки. Многими исследованиями [4], [14], [15], [23] установлено также, что в процессе пластической деформации среди зерен с ярко выраженной сдвиговой деформацией наблюдаются участки (полосы) с иным направлением, чем направление сдвига. Это изменение направления сдвига есть результат изгиба кристаллографических плоскостей сдвига. При пластическом деформировании зоны изгибания пространственной решетки возникают раньше, чем происходит перемещение по границам зерен.

Блокообразование и поворот блоков [24]. При малых скоростях пластическая деформация в начальной стадии может происходить за счет блокообразования, т.е. дробления зерен на отдельные блоки без нарушения сплошности металла и пространственной решетки внутри каждого отдельного блока. Одновременно с образованием блоков происходит их смещение - поворот. Возрастание пластической деформации в конечном счете приводит к дроблению кристаллита и распадения его на новые зерна. Причиной образования блоков является сложное смещение, изгиб плоскостей сдвига и превращение их в поверхности. Такая локализация деформации облегчает общую деформацию металла [24].

Таким образом, можно говорить об определенной последовательности явлений, протекающих в металле по мере возрастания пластической деформации: блокообразование и поворот блоков, сдвиг и изгиб пространственной решетки.

Из всех современных теорий, объясняющих природу пластической деформации и упрочнения металлов, общепризнанной и наиболее достоверной в настоящее время является дислокационная теория [23]. В современных дислокационных теориях рассматривается кристалл, который в исходном состоянии содержит большое число дислокаций, расположенных в виде пространственной сетки. Пластическая деформация представляется как процесс образования новых дислокаций и их движения по кристаллу. Условия работы источника дислокаций уточнены - существует минимальное напряжение, ниже которого источник не действует. Предел текучести металла определяется напряжениями, необходимыми как для действия источников, так и для преодоления движущейся дислокацией других препятствий, существующих в реальной кристаллической решетке (границы зерен и блоков, наличие примесей, взаимодействие между дислокациями), Дислокации от источников распространяются по кристаллу и выходят на поверхность или образуют группы заторможенных дислокаций. Скопление дислокаций увеличивает поле внутреннмх напряжений и встречные напряжения на источниках, противодействующие движению дислокаций и, тем самым, вызывающие упрочнение кристалла. Следовательно, для продолжения пластической деформации необходимо непрерывное повышение внешних напряжений.

Упрочнение происходит в результате упругого взаимодействия дислокаций. Наиболее сильное упрочнение имеет место при сравнительно небольших степенях деформации (20-30%). Твердость при этом возрастает приблизительно в два раза. Дальнейшая деформация сопровождается упрочнением, но со значительно меньшей интенсивностью.

1.5 Явления, происходящие в поверхностном слое при обработке ППД

Основные параметры ППД следующие: упругая и пластическая деформации в очаге деформирования; площадь контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью; сила, действующая на инструмент; напряжения, возникающие под действием этой силы, и кратковременность приложения силы.

Как при статическом, так и при ударном воздействии на обрабатываемой поверхности в первоначальный момент образуется отпечаток от инструмента, который затем превращается в примыкающие друг к другу следы или в серию отпечатков. При нагружении твердого шара статической или ударной силой Р (рис. 1, а) он вдавливается в обрабатываемый материал, по мере увеличения силы Р вначале происходит упругая деформация поверхности, а затем пластическая (линия ОАВ, рис. 1, б). Вследствие возникших пластических деформаций обратный процесс идет по линии ВС. Остаточная пластическая деформация выражается в размере отпечатка, соответствующего ОС. Пластическое деформирование под отпечатком распространяется равномерно и как бы копирует с некоторым искажением поверхность шара.

При обработке ППД в результате деформирования поверхностного слоя металла и работы трения образуется теплота, которая нагревает обрабатываемую заготовку, инструмент и рабочие тела, а также окружающую среду. Теплота деформирования генерируется в очаге деформирования, теплота трения - непосредственно на поверхности контакта. Источник теплоты - местный, характеризуемый эффективной тепловой мощностью, т.е. количеством теплоты, образующимся в единицу времени, и распределением теплоты по объему. Теплота образуется, в основном, вследствие пластического деформирования, поэтому источник теплоты соответствует форме очага деформирования, а сам процесс характеризуется мгновенным локальным нагревом и быстрым отводом теплоты внутрь заготовки. Время контактирования поверхности заготовки с источником теплоты зависит от скорости перемещения источника и его размеров в направлении перемещения.

а) б)

Рис. 1 - Схема процесса деформирования материалов

Удельный объем структурных составляющих следующий (в порядке уменьшения): тетрагональный мартенсит, мартенсит с кубической решеткой, перлит (сорбит, троостит), аустенит. Если при работе происходят структурные превращения, сопровождаемые увеличением удельного объема (например, переход аустенита в мартенсит), то образуются остаточные сжимающие напряжения, при обратном процессе - растягивающие напряжения.

Суммарное максимальное увеличение удельного объема для сталей достигает 1,1% [25]. Это обусловливает образование в наклепанной зоне остаточных напряжений сжатия, которые достигают 1200-1500 МПа; глубина залегания напряжений обычно на 10-50% превышает глубину слоя с повышенной твердостью. При завышенных силовых параметрах обработки может происходить перенаклеп, в результате которого в поверхностном слое появляются опасные микротрещины, намечается образование частичек отслаивающегося металла, поверхностные зерна сплющиваются так, что становятся почти неразличимыми. Резко увеличивается шероховатость поверхности. Наклеп металла можно частично или полностью снять путем отжига. Перенаклеп - необратимый процесс, при котором нагрев не восстанавливает исходную структуру металла и его механические свойства.

1.6 Эксплуатационные свойства поверхностей, обработанных методом ППД

1.6.1 Коррозионная стойкость

При чистовой обработке металлов давлением два конкурирующих фактора воздействуют на сопротивление поверхности коррозии. С одной стороны, сглаживание неровностей исходной поверхности приводит к заполнению впадин микрорельефа, устранению таких дефектов, как риски, царапины, микротрещины, где концентрируются и откуда начинают разрушающее действие вещества, вызывающие коррозию; в результате коррозионная стойкость повышается. С другой стороны, неоднородный характер пластической деформации приводит к возникновению разности потенциалов между неодинаково деформированными кристаллами, т.е. к образованию множества гальванических пар, являющихся причиной коррозии; и коррозионная стойкость снижается. В то же время, как показали исследования [14], при правильном ведении процесса обработки давлением и, в частности, обкатывания, можно добиться высокой коррозионной стойкости поверхностей. Коррозионная стойкость повышается с увеличением давления обкатывания лишь до определенного значения (точка А, рис. 2). Эта оптимальная величина давления соответствует моменту заполнения впадин микрорельефа исходной поверхности, кода исходные неровности примерно до R_а = 0,25 мкм, дефекты (риски, микротрещины, царапины) “закрыты”, а наклеп относительно мал. Положительное влияние сглаживания поверхности сильнее, чем отрицательное влияние наклепа.

Дальнейшее повышение давления, даже в том случае, если чистота поверхности несколько улучшится, приводит к резкому увеличению степени наклепа и снижению коррозионной стойкости. Теперь уже наклеп является решающим фактором, определяющим коррозионную стойкость. Так как требования к чистоте коленчатого вала не превышают R_а = 0,25, то проводить обкатку можно не опасаясь снижения коррозионной стойкости [8], [14], [17], [25].

А

Степень наклепа

Рис. 2 - Зависимость коррозионной стойкости от степени наклепа

1.6.2 Шероховатость поверхности

При обработке давлением и, в первую очередь, при чистовой обработке необходимо учитывать особенности образующейся шероховатости. Специфичны форма, расположение и степень однородности образующихся неровностей. Пластическая деформация приводит к сглаживанию - выравниванию в той или иной мере неравномерных по форме, размерам и расположению неровностей исходной поверхности, а влияние вибраций, могущих возникнуть в процессе обработки, несравнимо слабее, что обусловлено самим характером обработки, основанной на пластической деформации. Именно этим объясняется возможность достижения обработкой давлением высокочистых поверхностей [14] на маложестких изношенных станках.

Особенностью шероховатости поверхностей, обработанных давлением, является необычная по сравнению с образующимися при резании форма микронеровностей, характеризующаяся углом наклона образующих выступов и радиусом округления вершины. Относительно малые углы и большие значения радиуса определяют пологую “обтекаемую” форму неровностей.

Этими особенностями шероховатости поверхностей, которые создаются при обработке давлением, нельзя пренебрегать, так как они в значительной мере определяют важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин и приборов, в частности, их сопротивление износу, схватыванию, работу на трение, способность удержания смазки, толщину смазочной пленки, отражение электромагнитных и ультразвуковых колебаний и т.п.

1.6.3 Волнистость

Как при формообразовании, так и при чистовой обработке процесс пластического деформирования протекает более равномерно и плавно, чем при резании металла, что способствует образованию менее волнистой поверхности. Отсутствие таких явлений, как практически непрерывно изменяющийся микрорельеф рабочих поверхностей металлических и абразивных режущих инструментов, появление и исчезновение нароста на передней поверхности резцов, адгезия металлов заготовки и инструмента, прерывистость контакта между режущими элементами инструмента и обрабатываемой поверхностью, способствует уменьшению вибраций в системе станок-деталь-инструмент и более равномерному непрерывному контакту деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью.

1.6.4 Структуры

В результате холодной пластической деформации хорошо прокованный отожженный металл, имевший беспорядочно ориентированную равноосную структуру и свойства, примерно одинаковые в различных направлениях, получает ориентированную структуру.

При этом чем выше степень деформации, тем заметнее волокнистая структура. Происходит вытягивание и поворот зерен; межкристаллическое вещество также вытягивается в направлении течения металла, и холоднодеформированный металл получает ориентированную макро- и микроструктуру. Такой характер структуры и отсутствие перерезания волокон способствуют повышению практически всех прочностных характеристик металла.

В отличие от холодной обработки давлением, осуществляемой с целью формообразования, при чистовой обработки давлением происходит пластическая деформация лишь поверхностных слоев металла. Механизм же пластической деформации как при формообразовании, так и при отделке, калибровании и упрочнении одинаков. Отдельные кристаллы деформируются за счет сдвигов, происходящим поп плоскостям скольжения. Взаимные смещения отдельных слоев (пачек скольжения) приводят к значительным изменениям формы кристалла. Кристаллы теряют глобоидную форму, сплющиваются, укорачиваются в одном направлении и вытягиваются в другом, совпадающим с главным направлением деформации.

1.6.5 Микротвердость

Холодная пластическая деформация металла приводит у его упрочнению, возникающему в результате неоднородности деформации, искажения кристаллической решетки, переориентировки кристаллических зерен, изменения плоскости скольжения. Это приводит к повышению твердости. Одновременно повышаются пределы текучести и прочности и снижаются показатели пластичности: относительное удлинение, ударная вязкость, относительное сужение. Эти изменения весьма существенны. Так, даже при режимах, характерных для чистовой обработки давлением, не ставящей целью упрочнение и отличающейся относительно малыми значениями усилий, прилагаемых к деформирующим элементам, и, соответственно, невысокой степенью деформации, микротвердость может увеличиваться по сравнению с исходной на 30-40% [25]. Даже при сравнительно малой глубине распространения наклепа, что характерно для чистовой обработки давлением, его влияние на такие эксплуатационные свойства металла, как износостойкость, сопротивление схватыванию и пластическому деформированию, весьма существенно [4], [17].

При калибрующей, формообразующей и, особенно, упрочняющей обработке зона распространения наклепа может быть значительно расширена. Достаточно сказать, что обкатыванием роликами в настоящее время достигается распространение наклепа на глубину свыше 20 мм [25], что в ряде случаев позволяет отказаться от поверхностной закалки при обработке, например, валов, штоков, плунжеров большого диаметра и значительной длины.

Упрочнение металла весьма устойчиво во времени. Исследования [24] показали, что наклеп металла и остаточные напряжения, созданные при обкатывании роликами шеек железнодорожных осей, а также соответствующее повышение усталостной прочности в пределах 500 млн. циклов после испытания практически не изменяется. Такая длительность испытания соответствует 1 650 000 км пробега или 25 годам работы вагона.

1.6.6 Напряжения

Неоднородная пластическая деформация при всех видах обработки металлов давлением приводит не только к упрочнению, но и к образованию в поверхностном слое металла значительных по величине остаточных сжимающих напряжений. На основании результатов многочисленных исследований [4], [17], [23], [25] роль упрочнения и остаточных сжимающих напряжений в повышении сопротивляемости усталости может быть признана равноценной.

Эффект повышения усталостной прочности особо значителен при упрочняющей обработке давлением. Предел выносливости для обточенного образца составляет 22,8 кГ/мм, а для обкатанного - 30,2 кГ/мм [24]. Даже при чистовой обработке давлением, осуществляемой с относительно малыми усилиями обкатывания, в поверхностном слое металла, распространяющемся на глубину 0,02-0,03 мм, возникают значительные по величине сжимающие усилия.

В зависимости от условий обработки давлением влияние качества поверхности, особенно физических характеристик (степени и глубины наклепа, напряжений), на эксплуатационные свойства металлов может быть весьма существенным или, наоборот, мало ощутимым. Так, при формообразовании, калибровании, упрочнении, когда степень деформации определяется соответственно необходимостью придания заготовке определенной формы и размеров, требуемой точности размеров, степени упрочнения и достигает больших значений, изменения структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя металла по сравнению с исходными может существенно повлиять на его эксплуатационные свойства. При отделочной же чистовой обработке давлением, осуществляемой с минимальными усилиями, обеспечивающими достижение требуемой степени шероховатости, изменение качества поверхности по сравнению с исходным бывает незначительным.

1.6.7 Прирабатываемость и износостойкость

Основные выводы, характеризующие влияние предварительного упрочнения (наклепа) на износ, могут быть приведены к следующему.

Повышение твердости поверхностных слоев должно:

а) уменьшить износ при механическом и молекулярном взаимодействии трущихся поверхностей ввиду повышения их жесткости и уменьшения взаимного внедрения;

б) способствовать диффузии кислорода воздуха в металл поверхностного слоя и образованию в нем твердых химических соединений;

в) уменьшить износ за счет смятия и истирания в результате повышения устойчивости против разрушения поверхностей при наличии непосредственного их контакта.

Все указанное относится к трущимся поверхностям, предварительно обработанным давлением. Однако, в данном случае влияние на приработку и износ наклепа, возникающего при пластической деформации, сочетается с влиянием особых по форму шероховатостей, остающихся на поверхности после обкатывания роликами. Такие шероховатости образуют микрорельеф, отличающийся (при одинаковой высоте неровностей) от микрорельефа поверхностей, обработанных резанием, о чем уже говорилось ранее.

Основные отличия состоят в том, что при полном сглаживании исходных неровностей (или частичном, когда на поверхности остаются лишь отдельные следы наиболее глубоких впадин), вновь образующиеся в результате обкатывания неровности не имеют заостренных вершин, характерных для неровностей, возникающих при обработке резанием, и опорная плоскость получается значительно большой. Создаются лучшие условия для образования между трущимися поверхностями сплошной масляной пленки. Это не может не сказаться на повышении сопротивления таких поверхностей изнашиванию [9], [14] и оказывает особенно большое влияние на протекание процесса приработки трущихся поверхностей.

Обычно ускоренный начальный износ объясняется повышенной деформацией и истиранием неровностей трущейся поверхности в связи с малой величиной фактической поверхности соприкосновения в начальный период работы пары трения. Пластическое смятие вершин неровностей продолжается до тех пор, пока увеличивающаяся поверхность фактического контакта не станет достаточно большой для несения внешней нагрузки.

Однако, как показали исследования [14], характер и величина начального износа определяются не только высотой исходных неровностей, но, в значительной мере, зависят от степени предварительного наклепа металла поверхностного слоя и его упрочнения в процессе износа.

Таким образом, поверхности, обработанные давлением, для которых характерно не только отсутствие заостренных шероховатостей, уменьшающих фактическую площадь контакта, на и большая опорная плоскость, а также наклеп, создаваемый, в частности, при обкатывании роликами, будут вести себя в период начального износа и прирабатываться иначе, чем поверхности, обработанные резанием [8], [9], [15].

Известно [24], что при оптимальной для данных условий трения шероховатости трущейся поверхности высота исходных неровностей в процессе износа не изменяется (или уменьшается незначительно), а длительность приработки и износ оказываются наименьшими. Поэтому длительность приработки является надежным критерием качества подготовки поверхностей, работающих на износ [24].

Опыты выявили также, что на износостойкость поверхностей, обработанных давлением, существенное влияние оказывают возникающие остаточные напряжения и наклеп. Наиболее благоприятными в этом отношении являются сжимающие окружные остаточные напряжения, достигающие в поверхностных слоях значительных величин.

1.7 Цель и задачи дипломного проекта

Обработка, основанная на пластическом деформировании тонкого поверхностного слоя, имеет по сравнению с обработкой точением, шлифованием, полированием, доводкой ряд преимуществ, в том числе:

- сохраняется целость волокон металла и образуется мелкозернистая структура-текстура в поверхностном слое;

- отсутствует шаржирование обрабатываемой поверхности частичками шлифовальных кругов, полировочных паст;

- отсутствуют термические дефекты;

- стабильны процессы обработки, обеспечивающие стабильное качество поверхности, можно достигать минимального параметра шероховатости поверхности (R_а=0,1 … 0,05 мкм и менее) как на термически необработанных сталях, цветных сплавах, так и на высокопрочных материалах, сохраняя исходную форму заготовок;

- можно уменьшить шероховатость поверхности в несколько раз за один рабочий ход;

- создается благоприятная форма микронеровностей с большей долей опорной площади;

- можно образовывать регулярные микрорельефы с заданной площадью углублений для задержания смазочного материала;

- создаются благоприятные сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое;

- плавно и стабильно повышается микротвердость поверхности;

- подавляющее большинство методов не повышает геометрической точности поверхности, обычно сохраняется точность, достигнутая на предшествующей операции.

Указанные и другие преимущества методов ППД обеспечивают повышение износостойкости, сопротивления усталости, контактной выносливости и других эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей на 20-50%.

Таким образом, полагаем целью дипломного проекта повышение износостойкости шеек коленчатого вала путем замены метода полирования на обработку поверхностным пластическим деформированием (обкатывание цилиндрическими роликами по авт. св. № 1717648). Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи, позволяющие реализовать метод ППД на полировальном станке:

- рассчитать режимы накатывания применительно к высокопрочному чугуну, учитывая сложности, связанные с его малой пластичностью;

- модернизировать существующий специальный станок для полирования в станок для обкатывания, в том числе:

- модернизировать полировальные рычаги для увеличения силы зажима;

- изменить привод вращения для обеспечения бесцентровой обработки;

- модернизировать устройство подъема заготовки, учитывая новые конструктивные особенности станка;

- модернизировать портальный манипулятор для повышения его надежности;

- спроектировать роликовые накатные головки.

Решению поставленных задач и посвящен настоящий дипломный проект.

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

2.1 Оптимальная шероховатость трущихся поверхностей

Наличие оптимальной шероховатости достаточно широко исследовано и подтверждено практикой. По терминологии авторов [9], [14], [24] под равновесной шероховатостью понимается воспроизводимая в стационарных условиях шероховатость, которой соответствует наименьшая интенсивность изнашивания, или шероховатость, устанавливающаяся на фрикционном контакте при неизменном режиме трения только после завершения процесса приработки.