Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Департамент научно-технологической политики и образования
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Белгородская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Я. Горина»
(ФГБОУ ВПО БелГСХА им. В.Я. Горина)
УДК 621.825.6: 621.7
|
|
|
№ госрегистрации ________________
|
|
|
Инв. №
|
|
«Утверждаю»
|
|
|
Ректор ФГБОУ ВПО БелГСХА
им. В.Я. Горина
|
|
|
_____________ А.В. Турьянский
|
|
|
«____» _____________ 2013 г.
|
ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
Обоснование режимов механической обработки
крестовин карданных шарниров, упрочненных
электромеханической обработкой
(заключительный)
Начальник НИЧ
к.с.х.н. _______________ А.Н. Ивченко
подпись, дата
Руководитель и исполнитель темы:
аспирант _______________ Н.М. Дегтярев
подпись, дата
п. Майский, 2013
Реферат
Отчет 21 с., 4табл., 14 источников, 2 прил.
крестовина, электромеханическая обработка, механическая обработка, шлифовальный круг, Карданный шарнир, долговечность, Твердость.
Объектом исследований являются крестовины, обработанные электромеханической обработкой (ЭМО) на различных режимах.
Цель проекта – выбор рациональных параметров механической обработки абразивным инструментом рабочих поверхностей шипов крестовин упрочненных ЭМО.
В работе рассмотрены виды механической обработки деталей из закаленных сталей. Выявлены наиболее подходящие для изготовления шипов крестовин. Теоретически обоснованы режимы механической обработки. За оценку качества механической обработки выбран параметр шероховатости, на которую наиболее влияет частота вращения детали и поперечная подача шлифования. Выбраны режимы механической обработки для обдирочного и чистового шлифования. Скорректированы режимы механической обработки на практике. Сопоставлена стоимости шлифования в зависимости от поперечной подачи с учетом основного технологического времени обработки.
Содержание
Введение …………………………………………...……………………….
|
5
|
1
|
Способы обработки деталей из закаленных сталей
|
6
|
2
|
Теоретическое обоснование режимов обработки
|
10
|
3
|
Производственная апробация режимов
|
14
|
4
|
Корректировка расчетных параметров режимов на практике
|
16
|
Заключение
|
17
|
Список использованных источников……….…………….
|
18
|
Приложения …………………………………………………….………......
|
20
|
Обозначения и сокращения
ЭМО – электромеханическая обработка
КП – карданная передача
КШ - карданный шарнир
АИ – абразивный инструмент
СПИД – станок-приспособление-инструмент-деталь
ЧПУ – числовое программное управление
Введение
Для современного машиностроения характерно стремление максимально расширить в машинах и механизмах номенклатуру деталей из закаленных сталей высокой твердости с целью увеличения их эксплуатационной долговечности. К таким деталям относятся и крестовины карданных шарниров. Необходимость значительного расширения в машиностроении области применения закаленных сталей подтверждается также исследованиями качества рабочих поверхностей. При механической обработке деталей из закаленных сталей получается микрогеометрия поверхности и физико-механические свойства поверхностного слоя, обуславливающие весьма высокие эксплуатационные свойства этих деталей [1].
Существующие способы повышения износостойкости и прочности деталей объемной термической обработкой не обеспечивают требуемых свойств наиболее нагруженных поверхностей. Применение объемной термической обработки в мастерских и цехах сельскохозяйственных предприятий, при изготовлении или восстановлении крестовин КШ, технологически сложно и зачастую экономически нецелесообразно. Сопоставляя технологические возможности ЭМО и технические требования к рабочим поверхностям шипов крестовин отмечаем, что ЭМО весьма перспективным способом упрочнения и восстановления карданных шарниров.
В связи с тем, что механическая обработка закаленных крестовин является весьма специфичным видом производства, возникает ряд сложностей, которые затрудняют изготовление и ремонт крестовин в целом. Эти обстоятельства определили выбор и актуальность темы исследования.
1. Способы обработки деталей из закаленных сталей
Выбор режима резания закаленных сталей производится так же, как и при обработке незакаленных сталей. Принципиальное отличие заключается в выборе инструмента для механической обработки и высоких требованиях жесткости системы СПИД. Припуск определяется погрешностью механической обработки на предшествующей операции и искажением геометрических размеров детали в результате закалки. Припуск следует оставлять возможно меньший [2].
С учетом припуска и заданной шероховатости поверхности следует выбирать многопроходную обработку. При этом черновую обработку надо вести с возможно большей глубиной резания режущего инструмента. Технологически допустимая подача выбирается в зависимости от заданных чистоты обработанной поверхности и точности размеров, а также жесткости системы СПИД.
Механическую обработку закаленных деталей можно осуществлять следующими способами: лезвийным, абразивным и осевым лезвийным инструментом (фрезерование, сверление, зенкерование и т.д.). Все способы обработки предназначены для различных целей. Обработку осевым лезвийным инструментом рассматривать не будем, так как при изготовлении шипов крестовин эти виды обработки не используются.
Точение – используется для деталей типа «вращения» со сравнительно невысокими требованиями к шероховатости поверхности. Точение позволяет значительно сэкономить время при обработке.
Шлифование – используется как для плоских деталей, так и для деталей типа «вращения» с повышенными требованиями к шероховатости поверхности и точности, которые невозможно добиться точением.
Для доводки лезвийных металлорежущих инструментов, предназначенных для обработки закаленных поверхностей, используются пластины из синтетических минералов промышленного производства: металлокерамика, керметы, нитрид бора и алмазы и др. Существуют различные марки твердосплавных пластин как отечественного, так и зарубежного производства, например: Т15К6, Т21К8, ВК12, ВК8, ВК6. Причем для обработки закаленных сталей допускается использование резцов, предназначенных для обработки чугуна.
Абразивные зерна, входящие в состав шлифовальных кругов, могут быть природного происхождения или быть специально изготовлены. Применение природных естественных материалов (кварца, корунда, алмазов) весьма ограниченно из-за нестабильности их физико-механических характеристик и их дефицита. Гораздо больше распространены искусственные материалы различного химического состава (электрокорунды, карбиды кремния и бора, синтетические алмазы, нитрид бора и др.), обладающие высокой твердостью, термо- и износостойкостью. Абразивный материал имеет свою маркировку: а) электрокорунд нормальный – 12А – 18А; б) электрокорунд белый – 23А – 25А; в) хромистый электрокорунд – 32А – 34А; г) монокорунд – 43А – 45А; д) карбид кремния – 55С – 63С; е) карбид бора – К5; ж) алмаз природный – А1 – А8: синтетический – АС2 – АС50; з) кубический нитрид бора – ЛО; ЛП; ЛД; ЛОМ и др.
Шлифование наружных цилиндрических поверхностей можно выполнять несколькими способами. Основные виды выполняемых работ на шлифовальных станках и применяемый инструмент представлен на рисунке 1 [3].
|
Рисунок 1 – Схемы обработки заготовок на круглошлифовальных станках: а) шлифование с продольной подачей; б) врезное шлифование; в) глубинное шлифование; г) совместное шлифование цилиндрической поверхности и торца.
|
Механическая обработка закаленных деталей имеет свою специфику. Система СПИД обуславливает использование для механической обработки закаленных деталей станков мощностью не ниже 7 кВт. При работе даже со сравнительно невысокими скоростями резания обработка ведется в центрах. Величина подачи выбирается в зависимости от твердости обрабатываемого материала и шероховатости поверхности: чем выше твердость, тем меньше должна быть подача. Выбор оборудования имеет большое значение. Необходимы станок достаточной жесткости и надежное крепление как инструмента, так и заготовки. Станки с использованием ЧПУ в серийном производстве позволят повысить точность обработки и сократить время изготовления крестовин карданных шарниров.
Более высокие требования, предъявляемые к точности и качеству рабочих поверхностей крестовин, достигаются путем шлифования. Поэтому финишную обработку необходимо назначить шлифованием. Черновую обработку можно производить лезвийным инструментом.
Технические требования должны обеспечивать точность размеров шипов с допуском 0,012 мм, отклонения от цилиндричности 0,006 мм, шероховатость поверхности Ra =0,63 мкм. Рабочий чертеж крестовины с ее геометрическими размерами и допусками приведен в приложении 2.
Шлифование шипов крестовин можно проводить двумя способами: врезанием шаблонного шлифовального круга рисунок 2, повторяющим контуры шипа крестовины, или шлифованием с поперечной подачей в две операции, где ширина шлифовального круга больше длины шипа рисунок 3. Фаски необходимо шлифовать срезанным кругом под соответствующим углом.
Технологический процесс механической обработки будет содержать следующие операции: установка и закрепление крестовины в центрах; черновое врезное шлифование; чистовое врезное шлифование; контрольная операция.
|
Рисунок 2 – Шлифование шипов крестовины шаблонным кругом
|
|
Рисунок 3 – Шлифование шипов крестовины в две операции
|
Шлифование первым способом позволит значительно сэкономить время на переналадку и переустановку шлифовальных кругов. Так как обработка производится в центрах, то можно обрабатывать два шипа одновременно. Технологических сложностей для этого нет, так как отсутствует продольная подача.
2. Теоретическое обоснование режимов обработки
В процессе электромеханической обработки (ЭМО) повышаются эксплуатационные свойства обрабатываемых поверхностей и возможна одновременно деформация обработанной поверхности, приводящая к искажению их геометрической формы. Это вынуждает оставлять припуски для финишной обработки шлифованием.
По техническим требованиям рабочего чертежа крестовины шероховатость цилиндрических поверхностей составляет Ra =0,63 мкм.
При шлифовании шипов крестовины диаметром 16,6 мм назначаем припуск 0,3 мм. Шлифование необходимо производить двух видов: обдирочное и чистовое. Шлифование проводим без продольной подачи. Осуществляем его врезанием шлифовального круга.
Необходимо подобрать рациональные параметры режимов шлифования обдирочного и чистового.
Окружная скорость шлифовального круга определяется по формуле, м/с [4]
 , (1)
где  – диаметр круга,мм;  – частота вращения круга, мин-1;
Окружную скорость шлифовальных кругов рекомендуется брать в пределах 30…35 м/с [4].
Поэтому выбираем диаметр круга 200 мм, а частоту вращения принимаем 3000 об/мин.
Тогда получаем
Скорость вращения детали, м/мин [4]
 (2)
Обычно при шлифовании окружные скорости вращения обрабатываемой детали из стали выбирают в пределах 20…60 м/мин [4].
Тогда получаем
Сводим значения зависимостей скорости вращения детали от частоты вращения детали в таблицу 1.
Таблица 1 – Зависимость скорость вращения детали от ее частоты вращения
Частота вращения детали nд, мин-1
|
200
|
300
|
400
|
500
|
600
|
700
|
800
|
900
|
1000
|
1100
|
1200
|
Скорость вращения детали vд, м/мин
|
10,2
|
15,3
|
20,4
|
25,5
|
30,7
|
35,8
|
40,9
|
46,0
|
51,1
|
56,3
|
61,4
|
Большое влияние на формирование шероховатости шипов крестовин оказывает зернистость шлифовального круга, его частота вращения, частота вращения детали, поперечная подача и твердость шипов.
Рисунок 4 – Влияние частоты вращения детали на ее скорость вращения
Для сокращения времени обработки, а следствие снижения себестоимости изделия, обдирочное шлифование необходимо производить с возможно большей подачей 0,2…0,5 мм/мин. А для заданной шероховатости подача чистового шлифования должна стремиться к наименьшему значению 0,05…0,2 мм/мин (корректируется в зависимости возможностей станка) [5]
 (3)
где  – подача на врезание, мм/мин; – продольная подача, мм/дв.ход (необходимо пренебречь, так как шлифуем без продольной подачи);  – число выхаживаний, мм;  – коэффициент зернистости;  - жесткость технологической системы, кН/мм;  ,  ,  ,  ,  ,  ,  – коэффициенты [2, 5, 6, 7, 8].
Тогда получаем
Спектр применяемого станочного оборудования может быть весьма разнообразным. Критерием при выборе станка является минимальный и максимальный диаметр обрабатываемых изделий, например: 3Е184АМ, КШ-3CNC, 3У131ВМ и т.д.
Таблица 2 – Влияние подачи и частоты вращения детали на шероховатость обрабатываемой поверхности
Частота вращения заготовки, об/мин
|
Подача, мм/мин
|
0,2
|
0,15
|
0,1
|
0,05
|
0,01
|
Шероховатость, мкм
|
200
|
0,678228
|
0,611502
|
0,528452
|
0,411751
|
0,230677
|
300
|
0,661928
|
0,596805
|
0,515751
|
0,401855
|
0,225133
|
400
|
0,6506
|
0,586592
|
0,506925
|
0,394978
|
0,221281
|
500
|
0,641948
|
0,578791
|
0,500183
|
0,389725
|
0,218338
|
600
|
0,634963
|
0,572494
|
0,494741
|
0,385485
|
0,215962
|
700
|
0,629118
|
0,567223
|
0,490186
|
0,381936
|
0,213974
|
800
|
0,624097
|
0,562697
|
0,486275
|
0,378888
|
0,212267
|
900
|
0,619702
|
0,558734
|
0,48285
|
0,37622
|
0,210772
|
1000
|
0,615797
|
0,555213
|
0,479807
|
0,373849
|
0,209444
|
1100
|
0,612286
|
0,552047
|
0,477071
|
0,371717
|
0,208249
|
1200
|
0,609098
|
0,549173
|
0,474587
|
0,369782
|
0,207165
|
Как видно из таблицы 2 параметр шероховатости отвечает технологическим требования предъявляемым к рабочим поверхностям шипов крестовин не на всех режимах.
При помощи таблицы 2 можно подобрать режимы резания для крестовины с диаметром шипов 16,3 мм.
По результатам расчетных показателей строим графики зависимости шероховатости Ra от частоты вращения детали n (рисунок 5) и шероховатости Ra от поперечной подачи sпоп (рисунок 6).
Рисунок 5 – Влияние частоты вращения на шероховатость при постоянной подаче 0,15 мм/мин
Рисунок 6 – Влияние поперечной подачи на шероховатость при постоянной частоте вращения 400 об/мин
Рациональными значениями поперечной подачи является: для чистового шлифования 0,05…0,15 мм/мин при частоте вращения детали 400 об/мин. Увеличивать частоту вращения детали нет необходимости, так как снижается стойкость инструмента.
Для круглого шлифования с поперечной подачей в условиях крупносерийного производства основное (машинное) время определяют по формуле (при обработке шаблонным шлифовальным кругом)
 (4)
где  – глубина шлифования, мм;  – частота вращения обрабатываемой детали, об/мин;  - поперечная подача, мм/об [4].
Для обдирочного шлифования время составит
Для чистового шлифования время составит
Формула (4) определяет время обработки одного шипа, т.е. чтобы определить время обработки крестовины воспользуемся следующей формулой
 (5)
Подставив значения в формулу получим
Если проводить обработку сразу двух шипов, то время сократится вдвое, а, следовательно, и стоимость обработки. Стоимость механической обработки можно определить из учета часовой стоимости работы оборудования
 (6)
где  – стоимость одного часа работы шлифовального станка (по данным ООО «Промзапчасть»), руб.
Подставив значения в формулу получим
Для удобства сводим результаты расчетов зависимости подачи от стоимости в таблицу 3
Таблица 3 – Зависимость стоимости механической обработки от подачи
Поперечная подача, мм/мин
|
0,01
|
0,05
|
0,10
|
0,15
|
0,20
|
Стоимость механической обработки, руб
|
255
|
55
|
30
|
21,7
|
17,5
|
Для наглядности рассмотрим полученные результаты в виде диаграммы на рисунке 3.
Рисунок 3 – Зависимость стоимости обработки от подачи
Из рисунка (3) следует, что на стоимость обработки непосредственно влияет подача. Технологически занижать подачу нет необходимости, т.к. параметр шероховатости удовлетворяет техническим требованиям уже от 0,2 мм/мин на соответствующих оборотах детали. Оптимальным значением подачи является 0,15 мм/мин.
3. Производственная апробация режимов
Для уменьшения времени обработки при изготовлении крестовин шлифование закаленных шипов с помощью ЭМО необходимо проводить в две операции: обдирочным и чистовым шлифованием. Обработку проводили в две операции (рисунок 2) на круглошлифовальном станке 3150.
Технологический процесс механической обработки крестовин упрочненных ЭМО при изготовлении должен содержать следующие операции: обработка изготовленной крестовины на рациональных режимах ЭМО; обдирочное шлифование с глубиной обработки 0,1 мм и поперечной подачей 0,5 мм/мин, чистовое шлифование с глубиной обработки 0,05 мм и поперечной подачей 0,15 мм/мин при частоте вращения детали 400 об/мин; контрольная операция. Для удобства сводим результаты выбора режимов механической обработки в таблицу 3
Таблица 3 – Результаты выбора режимов шлифования и оборудования [2, 4, 5, 6, 7, 8]
Вид обработки
|
Инструмент
|
Припуск, мм
|
Подача, мм/мин
|
Частота вращения детали, с-1
|
Шлифование обдирочное
|
Шлифовальный круг
Э5 40С1-С2 5К
|
0,2
|
0,5
|
400
|
Шлифование чистовое
|
Шлифовальный круг
Э9А 25-40С1-С2 5К
|
0,1
|
0,15
|
4. Корректировка теоретических режимов на практике
При предварительной отработке эксперимента было выявлено, что теоретические режимы необходимо скорректировать. В частности, необходима корректировка для чистового режима, так как шероховатость не удовлетворяет техническим условиям чертежа и практически в два раза превышает их. Для уменьшения шероховатости необходимо уменьшить поперечную подачу. Уменьшать зернистость круга нет необходимости. Так же большое влияние на формирование шероховатости оказывает твердость обрабатываемых шипов. Твердость первого образца шлифования составляет HRC 40…47. Из этого следует, что при обработке более твердых крестовин шероховатость уменьшится, даже если не корректировать режимы.
Таблица 4 – Скорректированные режимы резания при изготовлении
Вид обработки
|
Инструмент
|
Глубина резания, мм
|
Подача, мм/мин
|
Частота вращения детали, об/мин
|
Шлифование обдирочное
|
Шлифовальный круг
Э5 40С1-С2 5К
|
0,2
|
0,5
|
370
|
Шлифование обдирочное
|
Шлифовальный круг
Э9А 25-40С1-С2 5К
|
0,1
|
0,1
|
Заключение
1. Рассмотрены виды механической обработки деталей из закаленных сталей. Выявлены наиболее подходящие для изготовления шипов крестовин.
2. Теоретически обоснованы режимы механической обработки. Поперечную подачу можно выбирать из диапазона 0,01…0,15 мм/мин. Частоту вращения детали необходимо принимать из диапазона 400…1100 об/мин.
3. Выбраны режимы механической обработки: обдирочное шлифование - глубина обработки 0,1 мм, и поперечная подача 0,5 мм/мин; чистовое шлифование - глубина обработки 0,05 мм и поперечная подача 0,15 мм/мин), частота вращения детали составляет 400 об/мин.
4. Скорректированы режимы механической обработки на практике и приняты следующие значения: обдирочное шлифование с глубиной обработки 0,1 мм и поперечной подачей 0,5 мм/мин, чистовое шлифование с глубиной обработки 0,05 мм и поперечной подачей 0,1 мм/мин. Частоту вращения детали приняли 370 об/мин.
5. Сопоставление стоимости шлифования в зависимости от поперечной подачи с учетом основного технологического времени обработки позволило уточнить рациональное значение поперечной подачи - 0,15 мм/мин.
Список использованных источников
1. Резницкий Л.М. Механическая обработка закаленных сталей / Л.М. Резницкий // - Л.: Углетехиздат, 1958. - 155 с.
2. Барановский Ю.В. Режимы резания металлов. Справочник / Ю.В. Барановский, Л.А. Брахман, Ц.З. Бродский и др. // 3-е изд., перераб и доп. – М.: Машиностроение, 1972 г., 407с.
3. Минаев А.М. Обработка металлов резанием. / А.М. Минаев // 2-е изд., стер. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2008. – 96 с.
4. Некрасов С.С. Обработка материалов резанием / С.С. Некрасов // – М.: Колос, 1997. – 320 с.: ил.
5. Дальский А.М. Справочник технолога-машиностроителя / А.М. Дальский, А.Г. Косилова, Р.К. Мещеряков, А.Г. Суслов и др. // 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение-1, 2001 г. 912 с., ил.
6. Грановский Г.И. Резание металлов / Г.И. Грановский, В.Г. Грановский // Учебник для машиностр. и приборостр. и спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1985 г. – 304 с., ил.
7. Гуревич Я.Л. Режимы резания труднообрабатываемых материалов / Я.Л. Гуревич, М.В. Горохов, В.И. Захаров и др. // 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986, 240 с., ил.
8. Кащук В.А. Справочник шлифовщика / В.А. Кощук, А.Б. Верещагин // - М.: Машиностроение, 1988 г., 480 с., ил.
9. Ерохин М.Н. Надежность карданных передач трансмиссий сельскохозяйственной техники в эксплуатации: монография / М.Н. Ерохин, А.Г. Пастухов // — Белгород: Изд-во БелГСХА, 2008. — 160 с.
10. Федоров С.К. Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники: автореферат дис… доктора технических наук / Федоров С.К.; МГАУ – Москва, 2009, 32 с.
11. Воловик Е.Л. Справочник по восстановлению деталей. – М.: Колос, 1981. – 351 с.
12. Логинов П.К. Способы и технологические процессы восстановления изношенных деталей / П.К. Логинов, О.Ю. Ретюнский; Юргинский технологический институт. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. – 217 с.
13. Евдокимов В.Д., Клименко Л.П., Евдокимова А.Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов / Под редакцией д.т.н., проф. В.Д. Евдокимова. – Одесса; Николаев: Изд-во НГГУ им. Петра Могилы, 2005. – 352 с.
14. Методика и практика металлографического исследования инструментальной стали / под редакцией Е.И. Малинкиной // сборник работ металлографической лаборатории ВНИИ. – М:, 1961. – 226с.
Приложение 1
Список опубликованных научных работ
Пастухов А.Г. Планирование эксперимента электромеханической обработки крестовин карданных шарниров / А.Г. Пастухов, А.Г. Минасян, Н.М. Дегтярев // Вестник Ставрополья [в печати].
Дегтярев Н.М. Разработка технологического процесса электромеханической обработки крестовин карданных шарниров / Н.М. Дегтярев, А.Г. Минасян // Материалы международной научно-производственной конференции. Изд-во БелГСХА им. В.Я. Горина, 2012 г., часть 2, с. 25-29.
Дегтярев Н.М. Разработка технологического процесса механической обработки крестовин карданных шарниров / Н.М. Дегтярев, А.Г. Пастухов // Материалы IV Международной научно-практической конференции. Уфа: Изд-во Башкирский ГАУ, 2013. – с.47-51.
Дегтярев Н.М. Планирование опыта электромеханической обработки крестовин карданных шарниров / Н.М. Дегтярев, А.Г. Пастухов // Материалы IХ–го международного форума молодежи 4-5 апреля 2013 года. «Молодежь и сельскохозяйственная техника в ΧΧΙ веке», Харьков: ХНТУСХ, 2013. – С. 110.
Пастухов А.Г. Режимы механической обработки крестовин карданных шарниров, упрочненных ЭМО / А.Г. Пастухов, А.Г. Минасян, Н.М. Дегтярев // Вестник ХНТУСХ. – 2013. – Выпуск 133. – С. – 200-203.
Приложение 2
 |
