Взаимосвязь между конструктивно-технологическими параметрами и факторами обработки, физико-механическими явлениями в зоне контакта и показателями качества

В настоящее время поверхностное пластическое деформирование нашло широкое применение в машиностроении при изготовлении деталей, выполненных из стали, чугуна, а также цветных металлов. Основным назначением ППД является повышение качества поверхностного слоя.

К настоящему времени в области исследования ППД – роликами накоплен значительный теоретический и экспериментальный материал, в котором рассматривается влияние конструктивно-технологиче­ских параметров и факторов на производительность и качество обработанной поверхности. В результате этого установлено, что качество поверхностей деталей зависит от большого количества технологических факторов обработки, конструктивных параметров деформирующих элементов и размеров деталей.

Основными факторами и параметрами обработки являются: подача, число проходов, геометрия и размеры деформирующих роликов, углы установки роликов относительно обрабатываемой детали (угол внедрения и угол самозатягивания), усилие деформирования, исходная шероховатость, твердость материала и некоторые другие величины. Характерно, что скорость деформирования в достаточно широких пределах практически не оказывает влияния на качество поверхностного слоя. Это следует рассматривать как возможность повышения производительности обработки. Роль смазки тоже незначительна, а ее применение необходимо для предотвращения перегрева инструмента [1, 2, 3, 4].

Точность обработки в основном зависит от точности предшествующей обработки резанием и исходной шероховатости. Изменение размера детали равно примерно удвоенной разности высоты исходной шероховатости и шероховатости, достигнутой в процессе пластического деформирования [3]. Следовательно ее можно учесть заранее расчетным методом при разработке технологического процесса.

Наличие большого количества величин, влияющих на качество поверхностного слоя, затрудняет выбор рационального сочетания их значений. Для систематизации и наглядного представления взаимосвязи конструктивно-технологических параметров обработки и показателей качества при ППД составлена схема (рисунок). Влияние одних параметров на другие определяется на ней только по направлению стрелок, соединяющих соответствующие величины. Стрелки, поставленные на отрезках в противоположных направлениях, указывают на взаимно-однознач­ное соответствие между величинами, а точки на пересечениях отрезков означают, что в этих местах можно переходить с одного отрезка на другой. Буквой М обозначена малоизученная взаимосвязь или сведения отсутствуют. Из представленной схемы следует также, что значительное число как технологических, так и конструктивных параметров взаимосвязаны между собой, причем они, а также исходные характеристики поверхности определяют и физико-механические явления, протекающие в зоне контакта. В конечном итоге это определяет эксплуатационные показатели деталей машин. В свою очередь, физико-механиче­ские процессы (распределение напряжений и деформаций в зоне обработки, проскальзывание, распределение температур) при ППД, а также их взаимосвязь с показателями качества слабо изучены, а по некоторым из них сведения отсутствуют.

При выборе и назначении конструктивно-техноло­гических параметров обработки существуют значительные затруднения, связанные с тем, что на окончательные результаты формирования качества поверхностного слоя влияет большое количество различных независимых и взаимосвязанных между собой аргументов. Как правило, любой показатель качества поверхности есть функция многих независимых переменных:

у_i = f(P_у,S_о,r_пр,D_о,d_р,r_р(l_к), h_m, α,ω, HB, R_исх),

где P_у – усилие деформирования;
S_о – подача;
r_пр – профильный радиус ролика;
D_о – диаметр детали;
dр – начальный диаметр ролика;
r_р(l_к) – изменение радиуса ролика по длине контакта;
h_m – максимальная глубина внедрения ролика в поверхность детали;
α, ω – углы внедрения и самозатягивания;
HB – твердость обрабатываемого материала;
R_исх – исходная шероховатость поверхности от предшествующей обработки.

Конструктивные параметры деформирующих элементов (диаметр, длина, форма боковой поверхности, профильный радиус и др.) и технологические факторы (усилие деформирования, угол самозатягивания, угол внедрения) определяют геометрические параметры контактной зоны, а через параметры контакта (его форма, размеры в продольном и окружном направлении), исходные свойства материала заготовки (предел текучести, предел временного сопротивления, твердость) влияют на

Теоретические исследования процесса поверхностного пластического деформирования, как правило, осуществляются на основе разработки и анализа математических моделей, описывающих геометрические параметры, напряженно-деформированное состояние в контактной зоне и выявления их влияния на показатели качества поверхностного слоя, а также на технические показатели оборудования и обрабатывающего инструмента.

Наличие тесной взаимосвязи между условиями и результатами обработки наводит на мысль, что должен существовать один или несколько обобщающих параметров, определяющих получение заданного качества поверхностного слоя. За такой параметр принимают усилие деформирования [4, 5]. Однако имеются данные, что при одном и том же усилии деформирования результаты обработки во многих случаях отличаются между собой. При одном и том же усилии они зависят от диаметра обрабатываемой детали, размеров деформирующих элементов, углов его расположения относительно оси детали, физико-механиче­ских свойств обрабатываемого материала. Это можно объяснить тем, что при одном и том же усилии роликов деформирования, но при разных размерах детали меняется площадь контакта и распределение напряжений в контакте между роликом и деталью [3, 5]. Следует заметить, что и площадь при контакте не может однозначно определить условия протекания процесса обработки. По этой причине в качестве обобщающего параметра должна быть выбрана другая количественная величина, описывающая контакт, например, объем металла, вытесняемого из контактной зоны.

Таким образом, дальнейшее развитие теории ППД на базе разработки универсальных математических моделей, описывающих взаимосвязь между конструктивными параметрами деформирующих элементов, геометрией контактной зоны, технологическими режимами, физико-механическими явлениями в контактной зоне и показателями качества поверхности деталей, разработка новых прогрессивных инструментов и способов обработки ППД, а также методик их расчета, ориентированных на современную вычислительную технику, является актуальной проблемой и имеет важное научное и производственное значение.