VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Развитие машиностроения и приборостроения предъявляют возрастающие требования (прочность, пластичность и т.п.) к качеству применяемых для заготовок и готовых изделий материалов. Улучшить эти показатели можно применением сочетания различных видов механической, термической и химико-термической, электрофизической и электрохимической, лазерной и ионной обработки материалов, а также использованием различных методов упрочнения металла. Рассмотрим важнейшие методы повышения качества изделий.

Механическая обработка заключается в механическом воздействии на деталь с целью получения заданных форм и размеров, а также требуемых показателей качества заготовки или изделия. К видам механической обработки можно отнести обработку резанием, давлением и ультразвуком. Обработка резанием заключается в образовании новых поверхностей отделением поверхностных слоёв материала с образованием стружки (например, строгание [1]). Существуют следующие виды обработки резанием: точение (разрезание, обтачивание и т.д.), сверление, фрезерование, различные отделочные методы (полирование, хонингование и др.), накатывание и нарезание резьбы. Для нарезания резьбы применяются резьбонарезные инструменты для наружной [2] и внутренней резьбы. При нарезании внутренней резьбы в деталях необходимо обращать особое внимание на предварительную подготовку отверстия. Так, точные внутренние резьбы нарезают метчиками в просверленном отверстии, которое перед резьбонарезанием развертывают, а при изготовлении резьб большого диаметра отверстие дополнительно растачивают. При этом диаметр отверстия под последующее нарезание резьбы метчиком должен назначаться с учетом пластической деформации металла (т.е. быть несколько больше внутреннего диаметра резьбы). Одновременно следует иметь в виду, что при нарезании резьбы материал детали несколько выдавливается метчиком и внутренний диаметр резьбы оказывается больше диаметра отверстия, полученного в результате предварительной обработки (сверления, зенкерования, растачивания и т. д.) При этом разные материалы детали обладают различными свойствами (твердостью, пределом текучести и др.) Это необходимо учитывать при выборе диаметра инструмента для предварительного выполнения отверстия под резьбу (сверла, зенкера, развертки и т.д.). Факторы, влияющие на процесс резьбонарезания, можно разделить на две группы. К первой группе относятся: обрабатываемый материал, размеры метчика (диаметр и шаг), размеры отверстия под резьбонарезание, качество смазочно-охлаждающей жидкости, степень затупления метчика, наличие налипаний обрабатываемого материала на метчик, элементы геометрии режущих кромок метчика, наличие выкрашиваний режущих кромок и др. Ко второй группе относятся: наличие деформаций метчика в процессе работы (его неабсолютная жесткость), перекос оси отверстия относительно оси метчика в момент захода последнего, несовпадение оси метчика с осью отверстия (параллельный снос осей). Известны различные способы применения комбинированного инструмента для получения резьб режущим и безстружечным метчиками в различной их комбинации. Одним из перспективных способов является способ нарезания внутренней резьбы за несколько проходов, включающий формирование резьбового профиля на каждом из предварительных и калибровочном проходов метчиком при его винтовом движении относительно обрабатываемого изделия, и формирование резьбового профиля осуществляют одновременно пластическим деформированием и нарезанием с чередованием через заход, при этом при формировании резьбового профиля на предварительном проходе нарезанием величину профиля выполняют меньше, чем на предварительном проходе пластическим деформированием, а при формировании резьбового профиля на калибровочном проходе изменение профиля пластическим деформированием осуществляют в меньшей степени, чем нарезанием [3]. Или способ нарезания внутренней многозаходной резьбы за несколько проходов, включающий формирование резьбового профиля на каждом из предварительных и калибровочном проходов метчиком при его винтовом движении относительно обрабатываемого изделия, и формирование резьбового профиля осуществляют одновременно пластическим деформированием и нарезанием с чередованием через заход, при этом при формировании резьбового профиля на предварительном проходе нарезанием величину профиля выполняют меньше, чем – на предварительном проходе пластическим деформированием, а на калибровочном проходе выполняют с минимальным изменением резьбового профиля, полученного пластическим деформированием [4]. Резание может осуществляться на: наружных цилиндрических поверхностях (точение, шлифование и т.д.), внутренних цилиндрических поверхностях (сверление, зенкерование, растачивание и др.), плоскости (строгание, фрезерование, шлифование). Обработка методом деформирующего резания основана на совмещении процессов резания и пластического деформирования подрезанного слоя. Необходимо также иметь в виду, что при обработке резанием механическая обработка также разделяется по качеству обработанной поверхности: черновая, получерновая, получистовая, чистовая. Так, например, зубошевингование дисковым шевером является наиболее распространенным и экономичным методом чистовой обработки зубьев незакаленных (с твердостью до HRC 33) прямозубых и косозубых цилиндрических колес с внешним и внутренним зацеплением после зубофрезерования или зубодолбления. Шевингование применяют для повышения точности зубчатого зацепления, уменьшения параметра шероховатости поверхности на профилях зубьев, снижения уровня шума и т. д. Разновидностями шевера являются дисковый, червячный и реечный шеверы. Методы шевингования (параллельное, диагональное, тангенциальное, врезное и их разновидности) различаются направлением подачи, временем обработки и конструкцией шевера [5].

Обработка металла давлением – технологический процесс получения заготовок или деталей в результате силового воздействия инструмента на обрабатываемый материал. Существуют такие виды обработки давлением как: ковка, прокатка, прессование, волочение, штамповка. Существуют также процессы, при которых используются комбинации из нескольких методов. Например, метод прокатка-волочение. Необходимо учитывать, что каждый из выше перечисленных методов обработки металлов давлением имеет свои разновидности. Так, например, ковка по диапазону температур бывает горячей и холодной. У каждого из этих видов есть свои преимущества и недостатки. При холодной ковке металл не нагревается. Цель процесса – изогнуть материал до нужной формы. Горячая ковка – более трудоемкий процесс, однако с его помощью можно создать сложные конструкции. Материал нагревают, после чего обрабатывают с помощью отжига, отпуска или закалки. Для каждого металла существуют свой диапазон температур, при которых они достигают нужной пластичности.

По способу воздействия на материал инструментом ковка подразделяется на ковку в штампах и свободную. Характерная черта первого вида – наличие штампа, полости, в которую помещается металл и при деформации принимает ее форму. Процесс очень удобен, если нужно сделать много однотипных деталей. При свободной ковке материал не ограничивается штампом, поэтому используется для изделий с элементами творчества. Перед тем как осуществить обработку, нужно спроектировать будущее изделие [6].

Свободная ковка бывает машинной и ручной. Машинная ковка осуществляется с помощью специального оборудования: ковочных машин, молотов или гидравлических прессов. Для того, чтобы управлять им, используются подъемные краны, способные выдержать до 350 тонн. При ручной ковке материал обрабатывается с помощью молота или кувалды. Используют его чаще всего для удаления швов и окалин, придания металлу мелкозернистой структуры.

Ультразвуковая обработка материалов основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Ультразвуковым методом обрабатывают сквозные и глухие отверстия любой формы поперечного сечения, фасонные полости, разрезают заготовки на части, профилируют наружные поверхности, гравируют, прошивают отверстия с криволинейными осями, нарезают резьбы.

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры. Термическая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств детали. Среди основных видов термической обработки следует отметить: отжиг, закалку, отпуск, нормализацию, старение [7].

Сущность химико-термической обработки (ХТО)заключается в нагреве и выдержке металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных). В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки: однокомпонентные: цементация; азотирование, алитирование, хромирование, борирование, силицирование; многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация); бороалитирование, хромоалитирование, хромосилицирование и т.д.

Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии. Толщина диффузионного слоя, а, следовательно, и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав, то есть содержание тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

ХТО применяют с целью поверхностного упрочнения металлов и сплавов (повышения твердости, износостойкости, усталостной и коррозионно-усталостной прочности, сопротивления кавитации и т.д.); повышения сопротивления коррозии в различных агрессивных средах при комнатной и повышенных температурах; придания изделиям требуемых физических свойств (электрических, магнитных, тепловых и т.д.); придания изделиям соответствующего декоративного вида (преимущественно с целью окрашивания изделий в различные цвета); облегчения технологических операций обработки металлов (давлением, резанием и др.).

Электрофизические и электрохимические методы обработки начали интенсивно развиваться в связи с появлением в конструкциях машин новых сплавов, с трудом поддающиеся обработке обычными металлорежущими инструментами. Интенсивности внедрения электрофизических и электрохимических методов способствовало развитие космической, атомной, электронной отраслей промышленности, рост приборостроения, энергетического и химического машиностроения, инструментального производства и др. В основе электрофизических и электрохимических методов обработки материалов лежит использование различных физико-химических процессов энергетического воздействия на заготовку для формообразования всей детали или отдельных ее поверхностей. Электрофизические методы обработки подразделяются на электроэрозионные (электроискровая и электроимпульсная обработка), электромеханические (электроконтактная, электроабразивная, магнито-импульсная, электрогидравлическая, ультразвуковая обработка), лучевые (электроннолучевая и лазерная обработка) и плазменную обработку [8]. Электрохимические методы обработки подразделяются на поверхностные (электролитическое полирование, анодирование, пассивирование, гальванопластика, гальваностегия), размерные (анодно-механическая и анодно-гидравлическая обработка).

Для лазерной обработки и сварки материалов используются твердотельные и газовые лазеры. Основным источником энергии, обеспечивающим процесс обработки, является оптический квантовый генератор (лазер). Лазерное излучение формируется оптической системой в пучок с определенными пространственными характеристиками и направляется на обрабатываемый объект. При помощи оптической системы могут осуществляться также визуальный контроль положения обрабатываемого объекта относительно луча, наблюдение за ходом процесса обработки и оценка его результата. Разработаны следующие виды лазерной обработки: поверхностная обработка, резка, обработка отверстий [9].

Ионная обработка включает в себя ионно-лучевую обработку, ионное легирование, осаждение из сепарированных ионных пучков, ионную литографию. Ионно-лучевая обработка - это комплекс способов обработки материалов энергетическими потоками ионов, в результате воздействия которых изменяется форма, физико-химические, механические, электрические и магнитные свойства обрабатываемых изделий. Метод ионного легирования основан на контролируемом внедрении в материал (твердое тело) ускоренных ионизированных атомов и молекул. К достоинствам такого метода можно отнести возможность введения любой примеси в любой материал; локальность воздействия; отсутствие нагрева подложки; возможность строгого дозирования примесей и т.д.

На сегодня одним из самых распространенных видов разрушений (более 80 %) инженерных конструкций является усталостное разрушение. Для оценки работоспособности металла в разных условиях эксплуатационного нагружения, кроме параметров статической прочности и пластичности, необходимо располагать характеристиками выносливости с учетом различных факторов, например видов и режимов технологической обработки, температуры и среды испытания. Кроме того, при жестком требовании снижения металлоемкости машин и технических устройств бывает трудно избежать появления в ответственных деталях усталостных трещин.

Упрочнение металла может быть достигнуто одним из следующих методов: термомеханической обработкой, поверхностным упрочнением, закалкой токами высокой частоты, газоплазменной закалкой, старением, обработкой холодом и методами пластической деформации.

Упрочнение методами поверхностного пластического деформирования (ППД) приводит к существенным изменениям в поверхностном слое металла: сглаживаются микронеровности и повышается прочность слоя с образованием в нём остаточных напряжений сжатия. При ППД снижается шероховатость поверхности. Такая поверхность способствует увеличению выносливости деталей, так как снижается концентрация напряжений во впадинах микронеровностей [10]. Кроме того, значительно увеличивается опорная поверхность профиля, что способствует быстрой приработке сопрягаемых деталей в подвижных соединениях и большей прочности в неподвижных посадках. Следует отметить, что ППД обработка обеспечивает повышение усталостной прочности образцов в среднем на 15...20% и увеличение долговечности до 2-х раз. Основными причинами увеличения усталостной прочности являются повышение механических свойств материала поверхностного слоя и положительное влияние остаточных напряжений; поверхностный наклеп приводит к значительному увеличению долговечности деталей машин не только в условиях обычной усталости, но и при малоцикловой, связанной с высоким уровнем действующих повторных нагрузок. В этих условиях, особенно для высокопрочных материалов, большое значение имеет изменение микрорельефа поверхности; поверхностный наклеп повышает предел выносливости [11]. Это объясняется уплотнением поверхностного слоя и закрытием макропор для проникновения активных сред вглубь металла. Так же упрочнение поверхностного слоя пластическим деформированием способствует повышению контактной выносливости и износостойкости деталей. Все методы обработки поверхностным пластическим деформированием имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а, следовательно, и их эксплуатационными свойствами. Однако их применение для этих целей требует грамотного и правильного подхода, так как каждый из этих методов имеет вполне определенные экономически целесообразные области применения.

Список использованной литературы:

1. Дуров Д.С., Рыбинская Т.А. Моделирование процесса строгания детали. Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2008. № 1 (78). С. 202–203.

2. Бутенко В.И., Рыбинская Т.А., Диденко Д.И. Плашка. Патент на изобретение RUS 2258585. 13.05.2004.

3. Бутенко В.И., Диденко Д.И., Рыбинская Т.А. Способ нарезания внутренней многозаходной резьбы. - Патент на изобретение RUS 2231429 15.01.2003.

4. Бутенко В.И., Диденко Д.И., Рыбинская Т.А. Способ нарезания внутренней многозаходной резьбы за несколько проходов. - Патент на изобретение RUS 2242336 05.05.2003.

5. Бутенко В.И., Диденко Д.И., Рыбинская Т.А. Шевер. - Патент на изобретение RUS 2236330. 02.04.2003.

6. Рыбинская Т.А. Основы проектирования промышленных изделий, объектов, сред. – Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2014. – 48 с.

7. Дальский А.М., Барсукова Т.М., Бухаркин Л.Н. Технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение, 2002.

8. Шаповалов Р.Г., Рыбинская Т.А. Плазменная обработка материалов. - Сборник научных трудов Sworld. Одесса: «Черное море», 2008. Т. 4. № 4. С. 39-42.

9. Беленький В.Я., Язовских В.М. Электронно-лучевая, лазерная и ионно-лучевая обработка материалов. – Пермь, 1995.

10. Бутенко В.И., Диденко Д.И., Рыбинская Т.А. Устройство для поверхностной упрочняющей обработки (варианты). – Патент на изобретение RUS 2302330 16.12.2005.

11. Дуров Д.С., Диденко Д.И., Рыбинская Т.А. Поверхностно-упрочняющая обработка с предварительным нагревом поверхностного слоя детали // Тяжелое машиностроение. 2010. № 8. С. 38-39.

Код для цитирования: Скопировать