Центробежная обработка

3.6. Центробежная обработка.

При центробежной обработке на обрабатываемую поверхность наносят последовательные удары рабочими элементами (шарами или роликами), свободно сидячими в радиальных отверстиях вращающегося диска. Рабочие тела под действием центробежных сил занимают крайнее положение в радиальных отверстиях, а при ударе обрабатываемую поверхность опускаются на глубину, равную натягу, отдавая энергию, создаваемую центробежной силой.

Метод применяют в основном для повышения сопротивления усталости деталей, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. При правильно назначенных условиях и режимах упрочнения с помощью этого метода удаётся повысить сопротивление усталости обрабатываемых деталей в 1,5-4 раза. При оптимальных параметрах упрочнения параметр шероховатости грубых поверхностей Rа 5-20 мкм уменьшается в десятки раз и достигается Rа 0,63-1,25 мкм, при обработке поверхностей с Rа 0,32-0,63 мкм параметр шероховатости уменьшается до Rа 0,08-0,16 мкм. Температура поверхности в момент деформирования может достигать 200 ⁰С, однако, это не вызывает структурных изменений.

Твёрдость поверхностного слоя по сравнению с твёрдостью не наклёпанного слоя повышается в среднем при обработке силумина на 50 %, стали 25 — на 40 %, чугуна — на 30- 60% и латуни на 60 %. Глубина наклёпа 0,6-0,8 мм и более [4].

3.7. Ультразвуковое упрочнение (УЗУ).

Если при упрочнении статическими методами ППД инструменту сообщают дополнительно ультразвуковое колебание с частотой 18-24 кГц и амплитудой 15-30 мкм, то они становятся ударными методами (ультразвуковое обкатывание и т.п.)

Рисунок 3.8. Схема ультразвукового упрочнения (УЗУ).

Используют также УЗУ, когда загружаемым рабочим телам, помещённым в замкнутый объём вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под действием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс (рис.3.9.) напоминает виброударную обработку.

Рисунок 3.9. Схема УЗУ.

1 – концентратор;

2 – камера;

3 – обрабатываемая деталь;

4 – стальные шарики.

При обычном ультразвуковом упрочнении инструмент 2 (рис.3.10.) под действием статической и значительной ударной силы, создаваемой колебательной системой (ультразвуковым генератором магнитострикционным преобразователем 5 и концентратором 3), пластически деформирует поверхностный слой обрабатываемой детали 1.

Рисунок 3.10. Схема ультразвукового упрочнения.

1-обрабатываемая деталь;

2-рабочая часть инструмента;

3-концентратор;

4-ультразвуковой генератор;

5-магнитострикционный преобразователь;

6-направляющие.

Статическую силу Рст можно прикладывать с помощью пружины или груза,

 под действием которого все устройство может свободно перемещаться по направляющим 6 и поджиматься к детали 1. По сравнению, например, с обкатыванием шаром (ОШ) ультразвуковое упрочнение отличается следующими особенностями и преимуществами:

1-инструмент пластически деформирует поверхностный слой детали импульсно, с большой интенсивностью колебаний, в результате чего формирование сопровождается прерывистым и интенсивным трением;

2-кратность приложения силы при деформировании инструментом поверхности в 400 раз более (при ОШ 12-20 раз);

3-статическая сила, действующая на деталь, незначительна;

4-скорость деформации — переменная, её максимальное значение 200 м/мин и более, что превышает скорость деформирования при ОШ в десятки и сотни раз;

5-среднее давление, создаваемое в поверхностном слое детали под действием нормально направленной силы, в 3-9 раз больше, чем при ОШ;

6- энергия, расходуемая на искажение кристаллической решётки и идущая на внутренние микроструктурные преобразования, при УЗУ значительно выше, чем при0Ш;

7-температура места контакта инструмента с деталью в зоне деформирования 100-150⁰С, что в 3-5 раз меньше, чем при ОШ, а время нагрева при УЗУ очень мало (3 х 10-5 сек), поэтому не наблюдается снижения упрочнения, вызываемого действием высокой температуры;

8-в процессе УЗУ вследствие относительно больших напряжений и многократного приложения нагрузки напряжённо-деформированное состояние специфично.

Множественное скольжение дополнительно тормозит дислокацию. Плотность дислокаций намного больше, чем при ОШ. В результате степень наклёпа повышается в 1,2-1,5 раза и соответственно увеличивается уровень остаточных сжимающих напряжений.

Применение УЗУ по сравнению с ОШ может быть эффективно в следующих случаях:

1-для деталей термически и химико-термически обработанных сталей У10А, У12, Х40, ШХ 15, сталей аустенитной структуры 12Х18Н9Т и др., где применение других методов не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;

2-для деталей и инструментов из твердых сплавов;

3-для деталей малой и неравномерной жёсткости, так же УЗУ характеризуется небольшой статической силой и временем деформирования.

К параметрам режима У относится: статическая сила Рст, амплитуда А колебаний инструмента, радиус его округления Г, частота колебаний f, эффективная масса инструмента М, продольная подача S, число рабочих ходов i, скорость обработки детали V.

Основные параметры упрочнения лежат в следующих пределах: частота ультразвуковых колебаний f = 2 х 10⁴ амплитуда 2А = 10…20 мкм, статическая сила Рст = 30...300Н, время контактирования инструмента с деталью r = 3х10^-5 с, отношение тангенциальной силы к нормальной Рm/PN = 0,7, скорость колебательного движения инструмента

V₁ = 2Пf >400  (1.)

Примером эффективного применения УЗУ может служить упрочнение предварительно шлифованных рабочих поверхностей эвольвентного зуба зубчатых колёс из стали 45 (m = 1,5 мм; Z = 30). В результате УЗУ с оптимальным режимом (Рст = 50Н, 2А = 20 мкм, S = 0,1 мм/об, i = 1) Ra уменьшился с 0,4 мкм до 0,1 мкм, т.е. в 4 раза.

Микротвердость поверхностного слоя повысилась с НВ208 до НВ357 (на 71 %) и соответственно, повысился предел контактной выносливости на 10-20 % [4].

Проведённые сравнительные исследования качества поверхностного слоя наплавленных деталей (коленчатые валы двигателя ЗИЛ-130) после шлифования без ультразвука и выглаживания с УЗУ на рациональных режимах показали, что наибольший эффект получен на деталях после УЗУ. При этом твёрдость увеличилась до 30 % , толщина упрочнения составляет 0,6-0,8 мм, микротвердость увеличилась до 50 %, шероховатость уменьшилась с 1,63 до 0,2 мкм и образуется особый микрорегулярный ячеистый рельеф на поверхности [5].

Важным преимуществом УЗУ является также образование в поверхностном слое наплавленных деталей остаточных напряжений сжатия значительной силы (осевых Sz = 150...1бО Па 10⁷, тангенциальных Рm = 120...130 Па 10⁷). Уменьшение разброса твёрдости на поверхности наплавленного металла свидетельствует об образовании более однородной структуры [5].

Рациональным по качественным и эксплуатационным показателям наплавленных деталей является такой режим, при котором двойная амплитуда УЗК равняется 2А = 30...50 мкм, статическое усилие прижима инструмента и детали Рст = 400...600 Н, скорость вращения детали Vg = 0,33.. 0,99 м/с и продольная подача инструмента Sпр = 0,120,15 м/об.

Сравнительные лабораторные испытания на износостойкость наплавленных и упрочнённых ультразвуковым выглаживающим инструментом образцов, вырезанных из натуральных шеек коленчатых валов, показали их меньший приработочный износ по сравнению с не упрочнённым, примерно в 7 раз, а по сравнению с образцами не наплавленными (контрольными) из стали 45, закалённой ТВЧ, примерно в 4,7 раза.

Стендовые и эксплуатационные испытания коленчатых валов двигателя ЗИЛ-130 восстановленных наплавкой и упрочненных ультразвуковым инструментом, показали, что поломок их по причине усталости не обнаружено, а износостойкость оказалась в 2,2 раза выше по сравнению с не упрочнёнными ( на 63 % выше износостойкости новых валов) [5].

4.Выводы.

1.Анализ способов восстановления коленчатого вала двигателя ЗИЛ- 130 с учетом последующего использования методов ППД показал, что наиболее приемлемым и эффективным с точки зрения экономических, технологических и других факторов является наплавка под слоем флюса.

2.Анализ способов ППД показал, что наиболее прогрессивным является УЗУ, как способ, отвечающий высоким технологическим характеристикам упрочнённой поверхности (Ra, HRC и т.п.).

5.Рачет объема работ.

Выбор программы восстановления коленчатого вала двигателя ЗИЛ- 130:

На период 2004 г. предприятием запланировано произвести ремонт 150 двигателей ЗИЛ - 130 и столько же восстановит коленчатых валов данного двигателя. С учетом того, что парк машин в нашем регионе растет, и ремонт на других предприятиях сокращается, можно остановится на программе восстановления коленчатых валов – 300 шт. в месяц. Планирование на год затруднено, т.к. экономика ориентированна на свободные рыночные отношения и вся работа предприятия зависит от количества заказов и качества восстановленных деталей.

5.1.Режим работы и фонды времени.

Режим работы участка планируется в одну смену. Рабочая неделя устанавливается пятидневной, продолжительность рабочей смены – 8 часов.

Планируемый период работы участка по восстановлению коленчатых валов двигателя ЗИЛ -130 составляет один месяц. Все остальное время участок специализируется на восстановлении коленчатых валов различных марок автомобилей, в том числе и иностранного производства.

Фонды времени подразделяют на номинальные и действительные. Номинальным фондом называется время, которое может быть отработано за планируемый период на рабочем месте без учета каких бы то ни было потерь, то есть календарно [6,11].

Фн = (Дк-Дп-Дв)·t_c·у, где (2)

Дк, Дп, Дв – количество дней календарных, праздничных, выходных соответственно.

Дк = 31, Дп = 1, Дв = 10;

t_c = 8 часов – время смены;

у = 1 – количество смен.

Фн = (31- 11)·8 = 160 час.

Действительный фонд рабочего времени работы оборудования:

Фдо = Фн· η_о, где (3)

η_о – коэффициент, учитывающий простой оборудования (0,95)

Фдо = 160·0,95 = 152 час.

5.2.Такт производства.

Для ритмичной работы участка нужно согласовать работу на всех рабочих местах во времени. Для этого устанавливается единый для всех рабочих мест такт производства:

τ=Фдо/N=152ч./300к.в.=0,5ч/к.в (4)

6.Проектирование технологического процесса восстановления

коленчатого вала ЗИЛ-130.

Технический процесс проектируем применительно к абразивно-электрохимическому шлифованию, опираясь при этом на технологию ВНПО «Ремдеталь» [7,8].

Используем операции, связанные только с восстановлением шатунных и коренных шеек, т.е. частичное восстановление. Это связанно с тем, что на проектируемый участок поступают только коленчатые валы с дефектами коренных и шатунных шеек. С другими неисправностями коленчатые валы не принимаются.

6.1.Разработка маршрутной технологии.

1.Очистная.

2.Дефектовачная.

3.Разборочно-очистительная.

4.Термическая.

5.Очистная.

6.Контрольная.

7.Шлифовальная (для Ш.Ш.).

8.Шлифовальная (для К.Ш.).

9.Герметизирующая.

10.Наплавочная.

11.Термическая.

12.Правильная.

13.Герметизирующая (для К.Ш.).

14.Наплавочная (для К.Ш.).

15.Шлифовальная черновая (для 1^ой и5^ой К.Ш.).

16.Шлифовальная черновая (для Ш.Ш.).

17.Шлифовальная черновая (для К.Ш.).

18.Сверлильная.

19.Шлифовальная чистовая (для Ш.Ш.)

20.УЗУ (АЗХШ).

21.Шлифовальная чистовая (для К.Ш.).

22.УЗУ (АЗХШ).

23.Сборочная.

24.Балансировочная.

25.Разборочная.

26.Очистная.

27.Сборочная.

28.Контрольная.