Введение. Надежность и долговечность деталей машин в значительной степени зависит от качества их поверхностного слоя. Из многочисленных работ по технологии машиностроения известно, что формирование параметров качества поверхностного слоя происходит на всех стадиях их изготовления. Однако решающее влияние чаще всего оказывают этапы финишной обработки. Поэтому в современном цифровом машиностроении уделяется повышенное внимание технологическому проектированию высокоэффективных операций финишной обработки деталей, что позволяет решить сложнейшую задачу увеличения их жизненного цикла. Ведущую роль в повышении эксплуатационных характеристик деталей машин, осуществляемом на финишных операциях, играет обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД). В отличие от традиционных методов обработки резанием, параметры качества поверхностного слоя при ППД достигаются путем осуществления пластической деформации специальными инструментами или рабочими средами. В процессе обработки одновременно с изменением размера обрабатываемых деталей производится изменение физико-механических характеристик поверхностных слоев, управляя которым технолог имеет возможность значительно увеличивать жизненный цикл производимой продукции.

Следует отметить, что широкому распространению многих методов ППД в промышленности препятствует слабая изученность их основных закономерностей, трудности, возникающие в процессе проектирования оптимальных сочетаний режимов обработки и конструктивных параметров средств технологического оснащения. Во многих случаях режимы обработки назначаются исходя из результатов частных экспериментальных исследований, что приводит к низкой эффективности обработки [1–6].

Целью настоящих исследований является обеспечение необходимых параметров качества поверхностного слоя при обработке эксцентриковым упрочнителем.

Материалы и методы. Необходимость применения ППД в условиях современных машиностроительных производство приводит к созданию новых методов обработки. Одним из таких методов является обработка ППД осциллирующим инструментом — эксцентриковым упрочнителем.

На рис. 1 представлена кинематическая схема эксцентрикового упрочнителя, состоящего из вибрирующего корпуса 1, подвешенного на плоских пружинах 2. Колебания вибрирующего корпуса 1, действующие нормально к обрабатываемой поверхности, возбуждаются вращением эксцентриковой массы (дебаланса) 3 вокруг вертикальной оси. Ось вращения эксцентриковой массы ограничена от перемещений относительно вибрирующего корпуса 1. Вращательное движение эксцентрику передаётся от электродвигателя 5 через гибкий вал 6. К корпусу 1 прикреплена инструментальная головка 4 с инструментом соответствующей геометрической формы. Движение инструмента 4 ограничивается ограничителем 7 (обрабатываемая деталь). При этом инструмент представляет собой индентор со сферической заточкой или может выполняться в виде ролика или шарика. Вибрационную систему в эксцентриковых упрочнителях можно представить как одномассовую систему с двумя степенями свободы, находящуюся под действием силы, изменяющейся по гармоническому закону. Для исследования динамики системы рассмотрим особенности её свободного колебания под действием центробежного вибровозбуждения и характер движения системы, ударяющейся об ограничитель (деталь).

При свободном колебании вибрирующая система, закрепленная на конце плоских пружин 2 (рис. 1), совершает гармонические колебания, которые возбуждаются вращением эксцентрика 3 с постоянной угловой скоростью.

Предложенное устройство может быть эффективным при обработке фасонных деталей не самого сложного профиля, а в некоторых случаях и при обработке простых поверхностей, типа плоскостей или тел вращения.

Следует прежде всего проверить возможность обеспечения широкого диапазона энергии воздействия инструментальной головки на поверхность обрабатываемой детали в сочетании с сравнительно низкими высотными характеристиками шероховатости поверхности.

Ввиду меньшей жёсткости плоской пружины (в нашем случае двух пружин) в направлении Х, в сравнении с жёсткостью в направлении Y, система описывает траекторию, близкую к эллипсу с большей полуосью в направлении оси Х. Для анализа закона движения системы разложим траектории по осям Х и Y.

Уравнение движения центра тяжести есть не что иное, как математическое выражение второго закона Ньютона.

Результаты исследования. Чтобы установить основные закономерности влияния технологических параметров процесса на взаимодействие осциллирующего индентора с обрабатываемой поверхностью необходимо учитывать кинетическую энергию индентора, количество инденторов, радиус индентора, коэффициент полезного действия устройства, физико-механические свойства обрабатываемой детали [1–6].

Учитывая все силы, действующие на движущийся индентор, можно записать уравнение движения инструментальной головки

в направлении Y:

(1)

в направлении Х:

(2)

где

, — проекции сил инерции системы на оси Y и Х соответственно;

c1, y, cx — проекции сил сопротивления пружины на оси Y и Х;

— проекции сил сопротивления среды на оси Y и Х;

— проекции возмущающейся силы на оси Y и Х;

mcg — сила тяжести (вес) вибрирующей системы; mc — масса вибрирующей системы; c1, c — жёсткость пружин в направлении Y и Х; µ — сопротивление среды; mcam — масса эксцентрика; r — расстояние от оси вращения эксцентрика до его центра тяжести; w — угловая скорость; t — текущее значение времени; y, x — текущее значение координат.

Ввиду значительно большей жёсткости пружин в направлении Y по отношению с жёсткостью в направлении Х, амплитуда перемещения индентора в направлении Y значительно меньше амплитуды в направлении Х. Поэтому примем допущение, что система совершает гармонические колебания только в направлении Х, т.е. будем рассматривать индентор только с одной степенью свободы.

Если пренебречь затухающим колебанием, то уравнение движения будет иметь вид:

, (3)

где b — амплитуда колебаний, β — разность фаз между возбуждающей силой и перемещениями центра тяжести индентора.

Подставив это выражение в уравнение (2), находим:

, (4)

. (5)

Значение μ определяется из выражений:

, (6)

где — частота собственных колебаний; δ — логарифмический декремент затухания.

Продифференцировав уравнение (4) по времени и проведя исследование функции на экстремум, получим выражение для определения максимальной скорости индентора:

(7)

Наибольшая кинетическая энергия индентора определяется из уравнения:

(8)

Анализ процесса взаимодействия сферических инденторов с деформируемым полупространством (поверхностным слоем обрабатываемой детали) описан в классических работах И.В. Кудрявцева [1][2][4][5]. Диаметр пластического отпечатка можно определить по зависимости:

. (9)

При этом глубина пластического отпечатка может быть определена как:

, (10)

где Т — кинетическая энергия инструментальной головки; HD — динамическая твердость материала детали (отношение энергии удара сферического индентора к объему вытесненного материала при ударе); Di — диаметр индентора; h — коэффициент полезного действия устройства; М — число инденторов.

При обработке эксцентриковым упрочнителем параметры шероховатости обрабатываемой поверхности могут получать постоянное (установившееся) значение, которое воспроизводится при дальнейшей обработке поверхности детали. Рельеф образующейся поверхности может быть как изотропным, так и анизотропным и формируется путем многократного наложения следов единичного взаимодействия.

При взаимодействии осциллирующего индентора с исходными выступами микронеровностей происходит их уменьшение по высоте с одновременным уменьшением глубины впадин микронеровностей. С увеличением времени обработки исходный профиль шероховатости поверхности полностью передеформируется. В результате формируется новый микрорельеф, причем для каждого метода ППД он имеет специфический характер [7–19].

Окончательно сформированная шероховатость обрабатываемой поверхности получила название «установившейся». Как правило, её высотные параметры не зависят от исходной. Они формируются в конкретных условиях каждого метода обработки и зависят от его технологических параметров. На основании методики работы [3][4] получена зависимость для определения установившейся шероховатости поверхности при обработке эксцентриковым упрочнителем:

. (11)

Параметры упрочнения поверхностного слоя, к которым относятся глубина упрочненного слоя и степень деформации, оказывают важнейшее влияние на увеличение жизненного цикла обработанных деталей. В результате теоретических исследований получены аналитические зависимости для их расчета при обработке эксцентриковым упрочнителем:

, (12)

. (13)

Приведенные зависимости соответствуют физическому смыслу явлений, происходящих при обработке, и прошли проверку в ходе проведения комплексных экспериментальных исследований.

При проведении экспериментальных исследований использовались образцы из различных материалов, часто применяемые для изготовления деталей машин: качественные и легированные стали (сталь 45, ХВГ, сталь 30, сталь 30ХГСА и др.), алюминиевые сплавы (АЛ1, АВТ, Д16 и др.). Плоские образцы подвергались обработке эксцентриковым упрочнителем с различными режимами. Использовались шариковые и роликовые инденторы.

По теоретическим зависимостям построены графики зависимостей шероховатости обработанной поверхности, глубины упрочненного слоя и степени деформации от режимов обработки, характеристик рабочих сред и обрабатываемых материалов.

На графиках (рис. 3–6) сплошной линией показаны кривые, построенные по теоретическим формулам, а точками — результаты экспериментальных исследований. Выполнено построение доверительных интервалов с доверительной вероятностью 95 %.

Наблюдается высокая сходимость результатов, что свидетельствует о том, что теоретическая зависимость правильно отражает явления, происходящие при обработке ППД осциллирующим инструментом — эксцентриковым упрочнителем.

Обсуждение и заключение. По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: