Пластическое поверхностное деформирование (ППД) это упрочняющая чистовая обработка заготовки. Исследуется работа над фасонными и цилиндрическими поверхностями детали, а также галтельных переходов. Помимо этого проводится анализ инструмента, способы фиксации и надёжность технологической системы.
Нам необходимо произвести оценку механической обработки настоящих образцов при усталостных испытаниях с использованием накатной головки роликового типа на токарном станке с ЧПУ 16К20Ф3.
Работа над исследуемыми образцами происходит в несколько ключевых отрезков: черновая обработка заготовки, далее чистовая токарная обработка и заключительный этап чистовой обработки с поверхностным пластическим деформированием. В процессе поверхностного пластического деформирования, результатом деформационного упрочнения поверхности детали, является возникновение в ней сжимающих остаточных напряжений, сглаживание неровностей на поверхности и улучшение качества поверхности и как итог - увеличивается прочность готовой детали в 1,5-2,5 раза, при регулярных нагрузках, а срок службы вырастает в 5-10 раз и более.
Исследуемые образцы отличаются некоторыми параметрами:
- наружный диаметр;
- диаметр шейки заготовки;
- радиус и длина галтельных переходов. Базовый эскиз образца продемонстрирован на рис. 1
Рис.1. Эскиз усталостного образца
На рис. 1 видно, что на объекте существует 3 прямолинейные поверхности и два галтельных перехода. На этапах черновой обработки заготовки и последующей чистовой не будем заострять внимание, так как это обычный процесс который не представляется сложным. Вводится нужный режим и происходит обработка. Наша цель уделить основное внимание периоду чистовой обработки пластическим поверхностным деформированием.
В момент проката тело на которое оказывается деформирующее давление (далее деформирующее тело – ДТ) вынуждено прижимается к поверхности детали с постоянной силой Р и перемещается относительно нее с оборотом относительно центра. В области пятна контакта деформирующего тела с обрабатываемой поверхностью возникает, это область пластической деформации, который движется параллельно с рабочим инструментом, благодаря чему поверхность заготовки последовательно деформируется на заданную глубину. Размеры очага деформации и степень пластической деформации, возникающей в очаге деформации, напрямую зависят от различных технологических факторов обработки детали.
Пожалуй самым важным фактором из всех является надёжность системы станок – приспособление – инструмент – деталь. Жесткость системы в момент токарной обработки, а затем обкатывания не остается постоянной. При обработке на токарном станке концов заготовки жесткость системы исходит из жесткости передней бабки, суппорта и задней бабки.
Как правило, жесткость задней бабки значительно ниже передней, разница составляет примерно 40%. Жесткость системы в середине рабочего хода, по сути, зависит от жесткости непосредственно самим обкатываемым объектом.
Вариант технологической системы с недостаточной жёсткостью представлен на примере токарной обработки режущим инструментом вала, на рис. 2. Максимальные усилия при пластическом поверхностном деформировании роликом на станках токарного типа приведены в табл. 1.
Рис. 2. Недостаточная жесткость ТС: h1, h2, h3, h4 возможные упругие смещения детали, задней бабки, передней бабки, инструмента.
Таблица 1. Максимальные усилия при обкатке роликом на станках токарного типа
На точность и надёжность настроек оборудования также влияет состояние самого оборудования, чем больше лет отработал токарный станок ЧПУ, тем больше вероятность появления неточностей в работе. Подобные факторы затрудняют, а порой делают абсолютно невозможным правильное использование жестких роликовых обкатных устройств.
При использовании приспособлений пониженной жёсткости можно создать условия, чтобы рабочее усилие было необходимым для обеспечения оптимальных условий деформации верхнего слоя детали, и в процессе обкатки оно сохранялось в рамках допустимых отклонений.
Однороликовая накатная головка вместе с суппортной державкой, как вариант, является одним из таких приспособлений. Узлы приспособления:
- корпус;
- сменная роликовая головка с роликом;
- шток с пружиной.
Приспособление представляет из себя трубку с закреплённой на ней державкой для установки в резцедержатель станка токарного типа. Нужное усилие ролика на обкатываемую деталь происходит за счёт винтовой пружины и может варьироваться от 50 Кгс до 500 Кгс.
Одним из признаков метода поверхностного пластического деформирования, основанного на приемах качения, является стабильность формы и размеры области деформации, а, соответственно, и сил обработки в стационарной фазе процесса. При пластическом поверхностном деформировании роликом цилиндрических заготовок с постоянным усилием, пластическое течение в очаге деформации быстро нормализуется. Уже через 3 - 5 оборотов заготовки с приложенным усилием, тип профиля очага деформации становится постоянным (Рис. 3).
Рис. 3. Профиль области деформации
Процесс обкатывания цилиндрических поверхностей несколько отличается от обкатывания фасонных поверхностей. В этом случае, постоянства области деформации добиться гораздо сложнее, и практически невозможно если использовать станки универсального типа. Данный режим работы мы более подробно рассмотрим на примере обкатывания галтельных переходов.
При обкатке галтелей можно применять несколько способов:
- обкатывание роликом с радиусом равным радиусу галтели (рис. 4). Метод эффективен для малых радиусов, при этом ролик располагается под углом 45 градусов к оси упрочняемой детали и происходит обкатывание роликом, профильный радиус которого равен радиусу кривизны галтели;
- обкатывание роликом с подачей по дуге образующей переходной поверхности (рис. 5). Уменьшение профильного радиуса роликов – один из методов повышения эффективности обкатывания галтелей, в этом случае происходит обкатывание роликом, радиус профиля у которого меньше радиуса профиля галтели;
- обкатывание роликом с подачей по хорде (рис. 6). Для галтелей больших радиусов при обкатывании в большинстве случаев используются поворотные устройства;
- обкатывание роликом с подачей по оси вала (рис. 7). Накатная головка с наклонным роликом закрепляется в резцедержателе токарного станка и происходит обкатывание;
Рис. 4. Обкатывание заготовки роликом с радиусом равным радиусу галтели
Рис. 5. Обкатывание заготовки роликом с подачей по дуге образующей переходной поверхности
Рис. 6. Обкатывание детали роликом с подачей по хорде
Рис. 7. Обкатывание детали роликом с подачей по оси вала
При пластическом поверхностном деформировании клиновыми и наклонными роликами не требуется больших усилий, так как деформация в зоне обработки происходит плавно, на небольшой площади соприкосновения. Но подобные ролики сложны в производстве.
Обработку следует проводить так, чтобы наибольшее упрочнение металла происходило в зоне концентрации эксплуатационных напряжений, так как обкатывание с подачами по хорде и вдоль оси вала происходит при неодинаковых условиях нагружения по длине хода. Поэтому эффективным является использование станков с ЧПУ.
На станке ЧПУ с легкостью можно произвести обработку сложнопрофильных деталей, в том числе усталостных деталей, это является большим преимуществом токарного станка с ЧПУ в сравнении с универсальным токарным станком.
На криволинейных плоскостях постоянство области деформирования добиться сложнее, это было отмечено ранее.
Станок ЧПУ сам просчитывает траекторию движения инструмента, которая эквидистантна профилю детали, это создаёт удобство в работе над фасонными поверхностями на станке.
Системе ЧПУ необходимо поддерживать соотношение скоростей движения по осям, для того чтобы перемещение ролика соответствовало заданной траектории, все это для того чтобы выполнить такое перемещение. Человеку такое выполнить невозможно работая на универсальных станках.
Интерполятор - специальное устройство, входящее в состав подсистемы управления, которое на станке с ЧПУ выполняет работу по расчету этих промежуточных опорных точек. Интерполятор непрерывно в соответствии с заданными перемещениями поддерживает функциональную связь между опорными точками и оценивая отклонения от заданной траектории, стремится свести их к минимуму.
Получаемое перемещение можно рассматривать как гладкое, так как в современных станках разрешение системы ЧПУ приближается к 0,001 мм. Схемы круговой и линейной интерполяции показаны на рис. 8.
Исходя из всего вышесказанного можно выделить несколько особенностей механической обработки усталостных образцов, по типу пластическое поверхностное деформирование, на токарном станке с ЧПУ.
Во-первых, не считая написания управляющей программы и задания правильных режимов обработки, присутствует полная автоматизация процесса.
Во-вторых, в отличие от работы на универсальном станке, при работе на станке ЧПУ отсутствует «человеческий фактор».
И в-третьих, основное, лучшее качество поверхностного слоя и положительное влияние на долговечности детали будет создано, благодаря возможности добиться квазистационарного состояния области деформирования на сложнопрофильных поверхностях.
Рис. 8. Схемы интерполяции: а) линейная; б) круговая
