Материаловед

Широкие технологические возможности методов обработки свободными абразивами, высокая производительность, возможность обработки деталей сложной конфигурации, а также хорошее качество обработанной поверхности позволяют включить их в число наиболее перспективных способов отделочной обработки. Это вызывает необходимость всесторонних исследований, способствующих широкому внедрению методов обработки свободными абразивами в производство. К настоящему времени наиболее подробно исследован процесс вибрационной обработки и его разновидности [11, 12, 22, 74, 105, 106]. В этих работах приведены исследования сущности и технологических возможностей ВиО, в некоторых приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологических параметров процесса на съем металла и шероховатость поверхности. Наибольший интерес в этой области представляют работы А.П. Бабичева [10 - 13], А.М. Тамаркина [105, 106], Ю.В. Димова [30], А.П. Сергиева [101], Ф.Ю. Сакулнвича [98 - 100], М.Е. Шаинского [79], П.И.Ящерицына [119 - 123], Ю.М. Барона [14 - 17], а также зарубежных специалистов [1 - 3] Матсунаги М., Хакиуды У. (Япония), К. Веллингера (Германия), В. Брандта (США) и др. Большинство исследователей предполагает, что для процесса ВиО необходимо подробное изучение и точное определение двух параметров, характеризующих производительность и технологические возможности процесса: съема металла с поверхности детали и величины шероховатости обработанной поверхности. Однако результаты, полученные различными исследователями, не совпадают, а иногда противоречат друг другу. Так, А.П. Бабичевым проведены исследования скоростей и сил соударения частиц рабочей среды и обрабатываемых деталей, контактных напряжений и температуры в зоне соударения, процесса микрорезания и формирования поверхностного слоя, интенсивности съема металла, шероховатости поверхности и глубины наклепанного слоя, получены зависимости для расчета технологических параметров процесса [11, 12, 23, 24, 74]. При этом установлено, что скорость частиц рабочей среды определяется амплитудой и частотой колебания рабочей камеры и достигает 0,3 – 1,0 м/с, ускорения изменяются от 15 – 20 до 100 – 150 м/с2. Силы микроударов частиц рабочей среды достигают 15 – 40 Н, величина контактных давлений колеблется от 0,0003 до 0,01 Па. Среднее значение температуры в зоне действия микроударов изменяется от 50 – 80 до 500 – 700 °С, средняя температура в рабочей камере обычно не превышает 35 -50 °С. В результате всесторонних экспериментальных исследований процессв ВиО получены зависимости, характеризующие влияние амплитуды и частоты колебаний рабочей камеры, объема загрузки, грануляции и зернистости рабочей среды на производительность процесса и шероховатость поверхности. Установлено образование микростружки при резании абразивными зернами, повышена активность обрабатываемой поверхности за счет образования ювенильных поверхностей при отделении стружки. Отмечено повышение микротвердости обработанной поверхности и формирование остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое при отсутствии температурных дефектов. Это приводит к повышению усталостной прочности и других эксплуатационных свойств детали. Предложена зависимость для определения съема металла с поверхности детали путем определения съема при единичном взаимодействии с последующим учетом количества таких взаимодействий. При этом съем металла пропорционален времени обработки. Отмечена неравномерность съема металла с различных по форме поверхностей деталей, быстрое скругление острых кромок. Однако моделирование процесса взаимодействия с поверхностью детали вдавливанием сферы в плоскость и применение ряда эмпирических коэффициентов снижает точность и универсальность расчетов и затрудняет определение степени влияния каждого из технологических параметров на производительность процесса. Не рассматривается расположение абразивных зерен на поверхности гранулы и характер распределения их вершин по высоте, что затрудняет теоретическое обоснование влияния зернистости рабочей среды на производительность процесса. Ю.М. Самодумский [105] указывает, что рабочий профиль абразивной гранулы состоит из зерен, осуществляющих микрорезание, пластическое оттеснение, упругое оттеснение и не принимающих участие в работе, однако не дает рекомендаций по определению количества зерен в каждой группе и не учитывает расположение зерен на поверхности гранулы при выводе теоретических зависимостей. И.Н. Карташов, М.Е. Шаинский, В.А. Власов и др. [79], анализируя результаты скоростной киносъемки процесса ВиО определили, что число прямых ударов гранул по поверхности детали невелико и не превышает одного на 70 – 120 косых ударов. Установлена величина средневероятного угла встречи гранулы с деталью — 28°. Предложена зависимость для определения съема металла за один удар частицы. Однако, расчет осложняется обилием параметров и коэффициентов, методика определения которых не разработана. А.П. Сергиев [101] предлагает зависимость для расчета технологической производительности ВиО по интенсивности съема металла. Однако эта зависимость не является универсальной, т.к. коэффициент пропорциональности необходимо определить для каждого конкретного случая. Не рассматривается влияние зернистости рабочей среды на производительность процесса. Э.А. Коган [40] для оценки эффективности процесса ВиО использует новый критерий, равный рассеянной энергии при относительном движении обрабатываемой детали, пропорциональный квадрату относительной скорости. Длительность процесса обработки определяется из таблиц, составленных по результатам экспериментов над деталями определенных конструктивных классов, а подбор технологических режимов осуществляется без учета характеристик абразивной среды. Следует отметить, что предлагаемая модель не учитывает физическую сущность процессов, происходящих при микрорезании, и не позволяет проанализировать влияние многообразия технологических факторов на производительность процесса и качество обработанной поверхности. Ю.В. Димов [30] указывает на возможность создания общей теории обработки свободными абразивами. Им рассматривается модель взаимодействия абразивной гранулы с деталью применительно к ВиО и роторно-струйной обработке. Предложена модель взаимодействия зерна с поверхностью детали, математическая модель рельефа абразивной гранулы. Составлены технологические рекомендации по выбору режимов обработки и сред. На основании результатов исследований предложены новые комбинированные методы обработки, определена возможность управления процессом. Предложенные решения не совершенны. Расчет производится численными методами при помощи ЭВМ. Расчет шероховатости обработанной поверхности выполняется по эмпирическим зависимостям. Отсутствие единой теоретической модели съема металла и формирования шероховатости обработанной поверхности затрудняет оптимизацию технологических параметров и не дает возможности автоматизировать проектирование технологических процессов. Теоретическое определение параметров шероховатости обработанной поверхности при ВиО является еще более трудной задачей вследствие большого числа переменных факторов, влияющих на процесс формирования профиля шероховатости поверхности. В результате экспериментальных исследований установлено [11, 22, 105], что при ВиО происходит первоначальный съем вершин микронеровностей, шероховатость поверхности детали изменяется с течением времени по экспоненциальной зависимости до определенных пределов, а при дальнейшем продолжении процесса обработки остается без изменений. Такая шероховатость поверхности получила название установившейся. Параметры установившейся шероховатости определяются конкретными условиями ВиО. Ее профиль, образованный путем многократного пересечения абразивных царапин, является изотропным, стационарным, опорная кривая имеет пологий начальный участок. А.П. Бабичев [11, 74] приводит результаты обширных экспериментальных исследований влияния различных факторов на процесс формирования шероховатости поверхности при ВиО. Подробно исследовано влияние амплитуды и частоты колебаний, зернистости и грануляции рабочей среды, а также механических свойств материала детали на шероховатость поверхности. Предложены полуэмпирические зависимости для расчета ее параметров. Другими авторами [22, 30, 79, 69, 70] также предложен ряд эмпирических зависимостей для расчета параметров шероховатости обработанной поверхности. Следует отметить, что исследования влияния зернистости абразивной среды и механических свойств материала детали на результаты обработки не получили до сих пор должного теоретического обоснования. Процесс центробежно-ротационной обработки подробно изучался в Пензенском политехническом институте и НПО «Мединструмент» (г. Казань). В работах [37, 105, 110, 111] изложены сущность и технологические возможности ЦРО, приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологических параметров на производительность и качество обработки. Трилисским В.О. [110, 111] разработаны математические модели процесса, позволившие аналитически определить его кинематические и динамические характеристики, проанализировать влияние режимов и условий обработки на выходные параметры, а также получить зависимость для расчета кинематических, силовых и геометрических параметров оборудования. Установлено наличие процесса абразивного резания с отделением стружки. Определен механизм съема металла с обрабатываемой детали, заключающийся в неравномерном съеме с различных по форме фрагментов поверхности, что позволяет установить ограничения по точности обрабатываемой поверхности. Исследован механизм процесса удаления заусенцев при ЦРО, заключающийся в их постепенном срезании без деформации или смятия. Определено влияние основных технологических параметров ЦРО на производительность процесса, физико-механические характеристики поверхностного слоя детали и их внешний вид, а также эксплуатационные показатели. Установлено, что ЦРО приводит к существенным изменениям топографии и физико-механических свойств поверхностного слоя. При этом обработка в абразивных средах устраняет следы предшествующей обработки, сглаживает гребешки микронеровностей, поверхность становится изотропной, хаотичной структуры и формируется установившаяся шероховатость с увеличенной опорной поверхностью, параметры которой зависят от условий обработки и свойств обрабатываемого материала. Температурные дефекты отсутствуют. Отмечено повышение микротвердости обработанной поверхности и образование остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое. Это приводит к повышению эксплуатационных свойств обработанных деталей. Однако в рассматриваемых работах не приводятся теоретические модели, описывающие процессы удаления металла и формирования профиля шероховатости обработанной поверхности, что не позволяет перейти к оптимизации технологических параметров при помощи ЭВМ и к автоматизации проектирования технологических процессов. Процесс струйно-абразивной обработки получил широкое распространение в отечественной и зарубежной практике, благодаря высокой производительности, экономичности и простоте в эксплуатации. Вопросам САО посвящены работы [1, 9, 19, 88, 89, 95, 105]. В указанных работах рассмотрена физическая сущность САО, даны схемы и конструкции применяемых устройств, приведены основные сведения о ее технологии. Ш.М Билик [19] подробно описал схему и конструкции устройств, применяемых для САО, опыт работы на лабораторных и промышленных установках. Приводятся исследования влияния технологических параметров на производительность обработки и качество поверхностного слоя. Подробно исследованы влияние зернистости абразива, угла атаки и состава ТЖ на процесс микрорезания. Установлено, что наибольшая производительность достигается при значении угла атаки 40°, наилучшая шероховатость в диапазоне 30 — 60°. В диапазоне зернистости 100 – 500 съем стали в единицу времени прямо пропорционален диаметру зерна абразива. Шероховатость поверхности после САО одинакова во всех направлениях. Для каждого сочетания режимов обработки достигается определенная величина шероховатости поверхности. На основании результатов исследований предложена многоступенчатая обработка грубой неоднородной поверхности с применением различной зернистости, при этом требуемая шероховатость достигается быстрее. При САО вначале также происходит удаление вершин микронеровностей, а отдельные глубокие выемки и риски удаляются только при большой продолжительности обработки. Происходит повышение микротвердости обработанной поверхности, в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия. Температурные дефекты отсутствуют. Все это приводит к повышению эксплуатационных свойств обработанных деталей. А.А. Аракелян и Р.Р. Агасарян [9], на основании обобщения ряда работ и результатов собственных исследований, получили зависимости для расчета съема металла и шероховатости обработанной поверхности при САО. На базе этих зависимостей ими разработаны номограммы для вычисления размеров лунки и вычисления Ra после САО. Однако выбор режимов обработки при помощи номограмм затрудняет оптимизацию технологических параметров и переход к автоматизации проектирования технологических процессов. Основные закономерности турбоабразивной обработки изложены в трудах ВНИИАШ. З.И. Кремень и М.Л. Массарский [76] описывают основы способа ТАО, выбор технологических параметров обработки. Показано, что экономическая эффективность процесса достигается путем сообщения детали движения, вращательного или колебательного, при этом производительность съема металла увеличивается в 200 – 300 раз и достигает 1,5 – 3 мкм/мин. Получены зависимости для определения влияния зернистости на производительность ТАО и шероховатость поверхности обработанной детали. Установлено, что обработанная поверхность после достаточно длительной ТАО имеет кратерообразный микрорельеф, состоящий из большого количества коротких царапин, которые создают матовую поверхность. Единичные царапины образуются в результате микрорезания или пластического деформирования, с последующим разрушением выдавленных навалов металла. Исходная шероховатость детали оказывает влияние только на время получения конечной (установившейся) шероховатости, но не на ее величину, которая определяется режимами обработки и свойствами материала детали. Форма микронеровностей характеризуется большими радиусами закругления выступов и малыми углами наклона боковых сторон. Указанные особенности позволяют сделать предположение о высоких эксплуатационных свойствах такой поверхности. После ТАО зафиксировано образование остаточных напряжений сжатия. Микротвердость отожженных образцов после ТАО повышается на 20 – 50 %. ТАО предварительно шлифованных образцов во многом ликвидирует дефекты, обусловленные шлифованием (температурным воздействием). Сделан вывод об отсутствии шаржирования поверхностей стальных образцов при ТАО, что связано с малой нормальной силой воздействия абразивного зерна и малой глубиной его внедрения в металл. Представлены результаты исследований влияния режимов обработки на производительность процесса и качество обрабатываемой поверхности. Определена область эффективного применения способа. Однако теоретическая модель процесса не рассматривается, что не позволяет говорить о переходе к автоматизированному проектированию технологических процессов турбоабразивной обработки. Метод обработки деталей свободным абразивом, уплотненным инерционными силами, разработан А.Н. Мартыновым [64]. В его работах изложены сущность метода и его технологические возможности. Описаны конструктивные схемы реализации способов обработки деталей. В результате проведенных исследований получены зависимости, описывающие влияние технологических факторов и условий обработки на производительность процесса и шероховатость обработанной поверхности. Установлено повышение микротвердости поверхностного слоя после ОСАУИС и формирование в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений. Показано, что уплотненный абразивный слой за счет своей эластичности и податливости выравнивает контактные давления на различных участках сложного профиля, что обуславливает практически равномерный съем металла со всей поверхности обрабатываемой детали. При этом в исходный профиль обрабатываемой детали не вносится существенных погрешностей и ОСАУИС может применяться в качестве финишного метода для обработки деталей с любой формой фасонного профиля. Установлены характерные особенности взаимодействия абразива с обрабатываемой поверхностью, заключающиеся в разрушении металла от микроскобления тонкого поверхностного слоя микрорельефом абразивных зерен. Это подтверждается данными электронно-микроскопического изучения поверхности микрорельефа абразивных зерен, а также теоретическими и экспериментальными исследованиями процесса микроскобления. Исследован процесс стружкообразования при микроскоблении и формирование шероховатости обработанной поверхности. Разработана методика расчета производительности процесса микроскобления. Однако отсутствие методики расчета шероховатости обрабатываемой поверхности затрудняет оптимизацию режимов обработки и возможность автоматизированного проектирования технологических процессов ОСАУИС. Исследованиям процесса магнитно-абразивной обработки посвящены работы [15, 55, 80, 98, 99, 102, 103]. Особенностями метода являются: непрерывный контакт абразива с поверхностью детали, что снижает циклические нагрузки на систему СПИД и способствует улучшению точности геометрических размеров и форм обрабатываемой поверхности; отсутствие жесткого крепления абразивного зерна в связке, способствующее самопроизвольному нивелированию режущего инструмента относительно сложной фигуры обрабатываемой поверхности и устраняющее вероятность появления в зоне резания критических давлений и температур, увеличивающее стойкость зерна и повышающее физико-механические показатели качества поверхностного слоя изделия; возможность управления жесткостью абразивного инструмента в осевом и продольном направлениях и за счет этого регулирование съема металла и совмещение черновой, чистовой и финишной обработки без смены технологических баз и переустановки детали; отсутствие трения связки о поверхность изделия, существенно снижающее температуру обработки, возможность резания всегда наиболее острой кромкой абразивного зерна; проникновение стружки между абразивными зернами, устраняющее вероятность засаливания абразивного инструмента и позволяющее шлифовать мягкие и нетермообработанные материалы и т.п. [44, 27, 50]. Наибольший эффект достигается при обработке наружных и внутренних поверхностей тел вращения высокоточных деталей типа валов, втулок, гильз, колец подшипников, роликов, иголок и т.д. Анализ схемы резания при МАП [98] показывает, что процесс контакта режущих кромок (микро- и субмикровыступов) с обрабатываемой поверхностью носит дискретный характер, а переориентация зерен в пространстве рабочего зазора осуществляется за счет действия крутящего момента, вызывающего их перекатывание. Метод позволяет за 10 – 120 с осуществить съем металла 0,02 – 0,5 мм, снизить шероховатость с Ra = 10 – 40 до 0,08 – 0,32 или с Ra = 0,32 – 1,25 до 0,01 – 0,08 мкм, уменьшить волнистость в 8 – 10 раз, увеличить относительную опорную длину профиля до 80 – 85 %. В работе [99] получены эмпирические зависимости, характеризующие влияние времени обработки, исходной шероховатости, скорости вращения детали, величины магнитной индукции и зернистости порошка на изменение размеров детали и геометрических характеристик поверхности. Ю.М. Бароном [15] описаны особенности абразивного резания при МАП, самозатачивания абразивной массы, показано, что в результате пластического деформирования поверхности происходит повышение твердости тонкого поверхностного слоя и образование в нем остаточных напряжений сжатия. Получены зависимости для определения глубины внедрения зерен порошка в обрабатываемую поверхность, массы материала снятого одним режущим зерном на единичном пути резания и общего съема металла в единицу времени. Дана методика расчета сил резания при МАП. Показано, что при МАП образуется установившаяся шероховатость, параметры которой не зависят от исходной и определяются режимами обработки. Однако часть зависимостей имеет эмпирический характер, отсутствие методики расчета параметров установившейся шероховатости затрудняет оптимизацию технологических параметров и автоматизацию проектирования технологических процессов МАП. А.М. Тамаркиным [105, 106] систематизированы результаты многих исследователей и высказана гипотеза о возможности создания обобщенной теории процессов обработки свободными абразивами. Анализируя результаты исследований методов обработки деталей свободными абразивами, можно отметить ряд общих особенностей рассматриваемых методов обработки. Некоторые из них приведены ниже [105]: 1. Отсутствие жесткой кинематической связи инструмента и детали. 2. Низкотемпературный характер обработки и отсутствие в связи с этим температурных дефектов обработанной поверхности (прижогов, микротрещин и т.п.). 3. Технологическая среда состоит из двух составляющих: инструмент (абразивные гранулы на различных связках или другие материалы) и смазочно-охлаждающая технологическая жидкость, свободно подающаяся в зону обработки. 4. Общая схема формирования профиля шероховатости обработанной поверхности за счет многократного наложения и пересечения следов обработки (например, абразивных царапин). 5. При обработке возможно образование ювенильных поверхностей, что приводит к возможности протекания механо-химических процессов. 6. Возможность осуществлять шлифование, полирование, очистку, мойку, удаление заусенцев и облоя и т.д. 7. После обработки наблюдается повышение микротвердости поверхностного слоя. 8. Возможность обработки деталей сложной формы. 9. Возможность обработки деталей из различных материалов. 10. Возможность «безразмерной» и размерной (при некоторых схемах) обработки деталей. 11. Наличие шлама в зоне обработки, необходимость регенерации технологических сред.