Жёстко-упругое выглаживание
Жёстко-упругое выглаживание (англ. Rigid-elastic burnishing) — способ отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием, который реализуется при скольжении инденторов с жёстким и упругим закреплением по локально контактирующей с ними поверхности обрабатываемой детали.
Является разновидностью процесса выглаживания.
В ходе жёстко-упругого выглаживания поверхности металла обеспечивается параметр шероховатости поверхности Ra = 0,02−0,1 мкм; глубина упрочненного слоя до 0,2 мм; остаточные напряжения сжатия первого рода более 200 МПа; микротвердость поверхностного слоя более 4000 МПа (при доводке индентора с упругим закреплением до Ra = 0,01 мкм; данные усредненные, конкретные значения зависят от обрабатываемого материала). Формируется регулярный профиль шероховатости поверхности благоприятной притупленной формы, верхний плотный однородный упрочненный слой на подложке из неоднородного упрочненного слоя, поверхность приобретает характерный зеркальный блеск. Осуществляется выглаживание металла, сталей и сплавов.
Общая характеристика[править]
Процесс реализуется на станках с ЧПУ (в редких случаях на универсальных станках) за один установ детали (например, на двухсуппортных токарно-револьверных станках с ЧПУ; на токарном обрабатывающем центре Mazak HQR 250MSY и подобном оборудовании).
Предназначен для изготовления точных ответственных деталей, которые будут работать в условиях трения и для которых предполагается длительный период эксплуатации (детали автомобилей, авиационной техники, военно-промышленного комплекса). Качество процесса характеризуется повышением износостойкости, контактной выносливости и коррозионной стойкости выглаженной поверхности.
Жёстко-упругое выглаживание обычно выполняется следующим переходом после тонкого точения. Технология выглаживания следующая (обычно это алмазное выглаживание на токарном станке): сначала осуществляется выглаживание с жёстким закреплением индентора (в литературе встречается понятие — выглаживание с жёстким закреплением инструмента). Тем самым точность размеров повышается и устраняются погрешности обточенной детали (волнистость). Для точной настройки натяга на станках с ЧПУ применяется датчик, дискретный сигнал с которого поступает в контроллер автоматики. Датчик закрепляется или встраивается в инструмент (либо используется датчик касания для обмера детали и электронный датчик привязки инструмента). Так определяется момент касания индентором детали (координата), то есть «нулевой натяг». Рекомендуется индентор с малым радиусом (при меньшем радиусе степень упрочнения больше). Это обеспечивает упрочнение поверхностного слоя детали (характеризуется повышением микротвердости поверхностного слоя, благоприятными остаточными напряжениями сжатия первого рода) и формирование первичной шероховатости.
Обычно формирование регулярного профиля первичной шероховатости затруднений не вызывает (регулярность его гарантирует регулярность профиля окончательной шероховатости): причины несоответствий кроются обычно в том, что пренебрегают соблюдением известных мероприятий: проверка оборудования на технологическую и геометрическую точность; контроль исходной заготовки на значение твердости и отсутствие её «пятнистости»; расточка кулачков; контроль инструмента и оснастки; контроль параметров качества достигнутых до выглаживания (технологическая наследственность имеет место быть всегда); настройка выглаживателя (обычно это алмазный выглаживатель). Далее реализуется выглаживание с упругим закреплением индентора (в литературе встречается понятие — выглаживание с упругим закреплением инструмента, процесс достаточно хорошо изучен В. М. Торбило). Обычно усилие поджатия индентора настраивается вне станка (часто инструмент имеет винт для поджатия пружины с делениями на державке, позволяющим задать требуемое усилие). Затем используется тарировочный график (величина внедрения индентора — усилие выглаживания), чтобы в управляющей программе задать координату для выглаживателя. Рекомендуется индентор с радиусом более 3 мм (при большем радиусе параметр шероховатости выглаженной поверхности Ra меньше). Выглаживатель (индентор) должен проходить по вершинам первичной шероховатости, что достигается на стадии наладки станка (смещение второго выглаживателя относительно первого кратно 1/2 подачи на оборот — нечётные числа кратности, при этом подачи одинаковы). Тем самым параметр шероховатости Ra максимально (до 4 раз) уменьшается.
Известно, что двукратное применение выглаживателя (выглаживание за два прохода) с упругим закреплением индентора при определенных условиях приводит к наноструктурирующей обработке (наноструктурирующее выглаживание — В. П. Кузнецов). Поэтому обработка двумя выглаживателями представляет определённый практический интерес. А принцип построения процесса жёстко-упругого выглаживания, при котором индентор второго инструмента проходит по вершинам первичной шероховатости, позволяет назначать в два раза большую подачу (оба инструмента работают с одинаковыми подачами), если требуется получить параметр шероховатости Ra, как при однократном выглаживании, то есть трудоемкость не возрастает (а в случае выглаживания на двухсуппортных токарно-револьверных станках с ЧПУ производительность возрастет в два раза).
Выглаживающие головки с двумя инденторами[править]
Помимо применения двух выглаживателей, возможно применение выглаживателя в державке которого закреплена выглаживающая головка с двумя инденторами, которые выставляются по оси центров токарно-фрезерного обрабатывающего центра. Подача подбирается исходя из расстояния между инденторами, для того, чтобы второй индентор (с упругим закреплением) прошёл по вершинам профиля шероховатости поверхности, которую сформировал индентор с жёстким закреплением. На токарно-фрезерных обрабатывающих центрах державка устанавливается в приводной инструментальный блок (конструкция инструмента предусматривает совпадение оси поворота с осью второго индентора). Для деталей — тел вращения, ввод индентора с упругим закреплением в работу реализуется программированием перемещения по оси Y и угла поворота (современный серводвигатель дает скорость вращения от 0,01 об/мин) — если невозможен прямой подвод головки, то есть инденторы на оси Z (например, выглаживаемая поверхность сопрягается с поверхностью большего диаметра), а вывод индентора с жёстким закреплением, после выглаживания им — за счёт поворота (если невозможен прямой отвод, например индентор упрется в торец поверхности детали). Ось Y также дает возможность применять державки предназначенные для универсальных станков.
Конструкция простейшей выглаживающей головки состоит из корпуса головки; двух инденторов со сферической формой рабочих частей; крепежного элемента для фиксации индентора с жёстким закреплением в корпусе головки; резьбовой втулки (может содержать уплотнитель для индентора), которая ввинчивается в корпус головки и в которую устанавливается индентор с упругим закреплением; пружины, воздействующей на индентор; элемента для поджатия пружины; регулировочного винта с внутренним шестигранником, который перемещает элемент для поджатия пружины (обычно у регулировочного винта и элемента для поджатия пружины контактирующие поверхности выполнены конической формы, поскольку оси этих деталей под углом 90° друг к другу). Возможно применение демпфирующего элемента, для индентора с упругим закреплением (автоколебания и вибрации должны отсутствовать в процессе) и встраивание в головку датчика касания инструментом детали, который будет применяться при наладке станка. Изначально вылет индентора с упругим закреплением, для обеспечения усилия выглаживания, больше вылета индентора с жестким закреплением. За счет тарировки пружины и использовании индикации на корпусе головки (то есть регулировочный винт ввинчивается на определенную величину), когда индентор с упругим закреплением вступает в работу, обеспечивается требуемое усилие выглаживания.
Также на современных обрабатывающих центрах можно применять головки для выглаживания, в которых индентор с жёстким закреплением устанавливается ниже оси детали, а индентор с упругим закреплением выше оси. Из практики выглаживания известно, что установка индентора ниже оси (в разумных пределах) стабилизирует процесс выглаживания, площадка износа меняет форму — индентор служит дольше и его можно многократно поворачивать в инструменте, прежде чем осуществлять доводку его рабочей поверхности. А установка индентора с упругим закреплением выше оси облегчает процесс «подглаживания» первичной шероховатости.
Формируемая многослойная микроструктура поверхностного слоя[править]
В ходе реализации процесса формируется многослойная микроструктура поверхностного слоя, с верхним плотным однородным упрочненным слоем (сформирован выглаживателем с упругим закреплением индентора; поскольку пластическая деформация материала после выглаживания индентором с жёстким закреплением приведет к изменению размера детали, наладка станка для определения «0» поверхности для индентора с упругим закреплением — обязательна; тонкость еще в том, чтобы усилие поджатия было точно таким, каким требуется для формирования однородного упрочненного слоя так, чтобы индентор с упругим закреплением сгладил вершины предварительной шероховатости, а не «перепахал» её полностью, то есть если мы превысим требуемое усилие — сформируем «новую» шероховатость, а если усилие будет меньше — не сформируем многослойную микроструктуру; в первом приближении при выглаживании конкретного материала нужно ориентироваться на верхнее значение усилия для сглаживающего режима выглаживания), который переходит в неоднородный упрочненный слой (сформирован выглаживателем с жёстким закреплением индентора). При этом обеспечивается параметр шероховатости поверхности детали Ra < 0,1 мкм. Данное сочетание упрочнения и шероховатости гарантирует высокую износостойкость поверхностного слоя детали. Происходящие при выглаживании процессы в поверхностном слое детали описывает теория дислокаций и по отношению к выглаживанию с жёстким закреплением индентора подробно изучены В. М. Смелянским. Процесс жёстко-упругого выглаживания позволяет исключить из технологического цикла наплавку, для создания упрочненного слоя и полирование, для отделочной обработки.
Режимы выглаживания[править]
На практике в основном применяется алмазное выглаживание, то есть в инденторах имеются вставки из природного алмаза, с развитием современных технологий получения материалов вместо алмаза массово можно будет применять ультратвёрдый фуллерит, вюртцитный нитрид бора, нанополикристаллы алмаза. Режимы выглаживания зависят от свойств выглаживаемого материала и радиусов применяемых инденторов (чем тверже обрабатываемый материал, тем меньше радиус первого индентора): натяг 50…150 мкм (сглаживающе-упрочняющий режим для первого индентора) — с увеличением натяга микротвердость возрастает, при меньшей твердости обрабатываемого материала натяг больше; сила 40…120 Н (сглаживающий режим для второго индентора — при меньшей твердости обрабатываемого материала усилие меньше); скорость не более 70 м/мин — при меньшей скорости равномерность микроструктуры лучше; подача не более 0,13 мм/об — чем меньше подача, тем больше глубина упрочненного слоя и меньше Ra. Режимы назначаются так, чтобы температура деформируемого слоя не привела к уменьшению остаточных сжимающих напряжений. Обеспечивается параметр шероховатости обточенной детали Ra не более 0,8 мкм. Не должно быть «пятнистой» твердости у выглаживаемой поверхности. Также не должно быть биения детали. Процесс жёстко-упругого выглаживания осуществляется с подачей СОЖ (СОТС) в зону выглаживания.
Применение после лазерного термоупрочнения[править]
Жёстко-упругое выглаживание возможно применять как калибрующую и сглаживающую обработку после лазерного термоупрочнения (измельчаются зерна структуры материала, но формируется волнообразный микрорельеф) на гибридных обрабатывающих центрах (Okuma Super Multitasking Machines LASER EX series и подобное оборудование) или после наплавки детали и ее проточки.
Развитие жёстко-упругого выглаживания[править]
Дальнейшее развитие жёстко-упругое выглаживание получило в методе комбинированной отделочно-упрочняющей обработки, сочетающем выглаживание с жёстким закреплением индентора и упругое накатывание.
Поскольку трение скольжения при выглаживании приводит к проскальзыванию индентора и поверхности детали, что формирует более грубую шероховатость, для сверхточных деталей с Ra<0,05 мкм (или для вязких материалов) желательно осуществлять накатывание шариком (параметр шероховатости поверхности шарика Ra<10 нм). При этом также возможно использовать головки с индентором и шариком (для шарика обязательно должен быть антифрикционный сепаратор и подшипник с антифрикционным покрытием; либо гидростатическое исполнение конструкции). В случае последовательного применения выглаживателя и обкатника, возможно использовать роликовый обкатник.
Литература[править]
- В.П. Кузнецов, В. Г. Горгоц, В. Ф. Губанов, А. Г. Схиртладзе, В. П. Борискин. Обеспечение требуемого качества поверхностей деталей на основе управления динамической системой процесса выглаживания: Учеб. пособие. — Старый Оскол: Изд-во ООО «Тонкие Наукоемкие Технологии».
- В. П. Кузнецов. Теоретическое обоснование и реализация наноструктурирующего выглаживания при обработке прецизионных деталей из конструкционных сталей : автореферат дис. … доктора технических наук : 05.02.07 / [Институт физики прочности и материаловедения СО РАН]. — Томск, 2013. — 34 с.
- Смелянский В. М. Исследование процесса алмазного выглаживания с жёстким закреплением инструмента: Дис… канд. техн. наук. — Москва, 1969. — 229 с.
- В. М. Торбило. Алмазное выглаживание. — М.: Машиностроение, 1972. — 105 с. (скачать)
- В. Ф. Губанов. Технология обработки деталей концентрированной энергией и комбинированным поверхностным пластическим деформированием // Технология машиностроения. — 2017. — № 3. — С. 10-12.