ВИБРОНАКАТЫВАНИЕ
Лекция 21
13.1. Сущность процесса.
13.2. Качество вибронакатанных поверхностей.
13.3. Влияние вибронакатывания на эксплуатационные свойства
деталей машин.
13.4. Режимы обработки и расчет геометрических характеристик
поверхностей с регулярным микрорельефом.
13.1. Процесс вибрационного накатывания отличается от процесса обычного накатывания тем, что деформирующему элементу дополнительно сообщается возвратно-поступательное (осциллирующее) движение вдоль оси обрабатываемой детали. Осциллирующее движение деформирующего элемента создает синусоидальный след инструмента, который накладывается на винтовую линию, образованную в результате кинематической связи обрабатываемой детали с инструментом.
На рис. 13.1 показана схема вибронакатывания наружной цилиндрической поверхности. Параметры процесса вибронакатывания (частота вращения заготовки в минуту - n, подача инструмента за один оборот заготовки – S, число двойных ходов в минуту nдв.х., амплитуда осцилляции - l, диаметр шара – d и усилие деформирования – Р) позволяют варьировать формой, размерами и расположением следов, образующихся на обработанной поверхности.
Рис. 13.1. Схема обработки вибронакатыванием
В качестве деформирующего элемента применяются шарики диаметров 2-8 мм и алмазные наконечники со сферической формой радиусом 1,5-3 мм. Выбор того или иного элемента обусловливается твердостью обрабатываемой поверхности детали. При HRCэ >40 применяются алмазные инструменты.
Вибрационное накатывание осуществляется с помощью виброголовок с механическим, пневматическим и электромагнитным приводом осциллирующего движения деформирующего элемент. Наибольшее распространение получили виброголовки с механическим приводом.
13.2. Изменение размера заготовки зависит от соотношения высот исходных микронеровностей, а также наплывов и микронеровностей, возникающих при вибронакатывании. Величина остаточной деформации зависит от вида образующего микрорельефа.
В зависимости от соотношения параметров режима вибронакатывания можно получить четыре основных вида образования микрорельефа поверхности: 1. с непересекающимися канавками; 2. с неполностью пересекающимися канавками; 3. с полностью пересекающимися канавками; 4. со слиянием канавок. На рис. 13.2. показаны сетки образующихся канавок для этих четырех видов микрорельефа.
1 2 3 4
Рис. 13.2. Основные виды поверхности, обработанной вибронакатыванием
Для достижения точности обработки при образовании микрорельефа первых трех видов до 6-го квалитета нет необходимости вводить дополнительные операции, так как высота наплывов, образовавшихся по краям канавок, значительно меньше величины половины поля допуска на размер. Вероятность сохранения размера в пределах поля допуска тем больше, чем больше размер обрабатываемой детали и ниже его точность. Для четвертого вида микрорельефа также нет необходимости вводить дополнительную обработку для достижения заданной точности поверхности детали в том случае, когда на обработанной поверхности не остается участков с исходной шероховатостью.
Таким образом, заготовка под вибронакатывание должна обрабатываться окончательно в размер, обусловленный чертежом детали, при этом должна быть обеспечена геометрическая точность формы готовой детали.
Шероховатость поверхности. Шероховатость вибронакатанных поверхностей зависит от характера микрорельефа: нанесение на исходную поверхность системы канавок (микропрофиля 1-3-го видов) и получение полностью нового микрорельефа (4-й вид). В первом случае шероховатость поверхности по высоте микронеровностей после вибронакатывания принимается равной шероховатости исходной поверхности при условии, что наплывы канавок по высоте меньше или равны высоте микронеровностей участков, не перекрытых канавками. При высоте наплывов больше высоты исходной шероховатости необходимо вводить дополнительную обработку вибронакатанных поверхностей шлифованием, полированием и т.д.
При образовании нового микрорельефа без участков с исходной поверхностью (4-й вид микрорельефа) высота микронеровностей может быть меньше, равной или больше высоты микрогребешков исходной шероховатости. Форма микронеровностей поверхностей, полученных при вибронакатывании с микрорельефом первых трех видов, характеризуется наличием канавок и выступов различных размеров, относящихся к исходной шероховатости и к канавкам, образующимся в результате вибронакатывания. Глубина и форма канавок, нанесенных на обработанную поверхность вибронакатыванием, зависят от величины радиуса шара или алмазного наконечника и усилия деформирования. Глубина канавок тем больше, чем меньше радиус инструмента и больше усилие деформирования.
Физико-механические свойства. На физико-механические свойства поверхностного слоя оказывает влияние вид образующейся при вибронакатывании поверхности. Так, при создании микрорельефа 1-3 видов изменения физико-механических свойств произойдет лишь на участках канавок и наплывов, а при обработке поверхности с образованием нового микрорельефа – на всей обработанной поверхности.
При вибронакатывании, как и при других видах ППД, в поверхностном слое металла создаются сжимающие остаточные напряжения. Величина тангенциальных и осевых остаточных напряжений для микрорельефа 3-го и 4-го видов составляет 500-700 МПа при глубине их распространения 0,4-0,9 мм. Глубина распространения сжимающих остаточных напряжений для всех четырех видов микрорельефа обработанной поверхности значительно больше глубины наклепанного слоя.
13.3.При вибронакатывании свойства деталей машин существенно зависят от микрорельефа обработанной поверхности и в первую очередь размеров, формы и расположения микронеровностей.
Об эффективности вибронакатывания можно судить по рис. 13.3. Длительность приработки пары «кольцо-бегунок» резко сокращается, когда на внутренней поверхности стального кольца вместо полирования создана система микроканавок 2-го вида микрорельефа, у которой площадь, занимаемая выдавленными канавками, составляла 25%. При этом первоначальный износ латунного бегунка сократился в 4-5 раз.
Рис. 13.4. Кривые износа: 1 – полированного; 2 - вибронакатанного
Вибронакатывание благоприятно влияет на повышение усталостной прочности деталей машин. Исследование усталостной прочности образцов из титанового сплава 48-Т4, обработанных шлифованием, накатыванием и вибронакатыванием, показало, что предел усталости шлифованных образцов составлял 260 МПа, накатанных – 300 МПа, а вибронакатанных – 340 МПа, т.е. предел прочности вибронакатанных образцов повысился на 30%.
Вибронакатывание используется в декоративных целях. Возможность создания канавок с различным их взаиморасположением позволяет подбирать рисунки различного вида (например, для колпачков авторучек).
13.4. Параметрами режима процесса вибронакатывания, определяющими его кинематику, являются: частота вращения заготовки (n), продольная подача деформирующего элемента или заготовки (S), число двойных ходов деформирующего элемента в единицу времени (nдв.х.) и амплитуда осцилляции деформирующего элемента е. Динамическим параметром режима обработки является усилие вибронакатывания Р.
Усилие вибронакатывания определяет величину остаточной деформации или глубину лунки, образующейся при получении микрорельефа 1-3-го видов. Расчет усилия деформирования при вибронакатывании производится по формулам, полученным для обкатывания шариками или выглаживания алмазными инструментами.
Варьирование амплитуды колебания деформирующего элемента осуществляется за счет изменения величины осцилляции, которая не должна превышать 2-3 мм во избежание возникновения больших инерционных сил.
Получение того или иного вида микрорельефа осуществляется в основном за счет изменения частоты вращения заготовки и продольной подачи. Частота вращения заготовки определяет количество волн выдавливаемых канавок, приходящихся на один оборот заготовки, и величину смещения канавок относительно друг друга. На токарных станках за счет изменения частоты вращения заготовки возможно получить микрорельефы у всех четырех видов. Отношение числа двойных ходов к числу оборотов заготовки определяет характер расположения выдавленных канавок относительно друг друга в направлении вращения заготовки.
При целом числе 
длина волны канавки укладывается на длине окружности заготовки целое число раз, и канавки не смещены относительно друг друга. Если имеет дробное значение, то на длине окружности заготовки длина волны канавки укладывается не целое число раз, и канавки смещены относительно друг друга при каждом последующем обороте заготовки.
Длина волны определяется по формуле
,
где D – диаметр заготовки.
Режим вибронакатывания определяет величину опорной поверхности, площадь и объем канавок, высоту, шаг и форму микронеровностей, их количество на единицу площади обрабатываемой поверхности. Площадь и объем накатанных канавок характеризуют маслоемкость обработанной вибронакатыванием поверхности.
При нормировании площадь масляных канавок задается относительной величиной ко всей поверхности цилиндрической заготовки. Относительная площадь канавок для поверхности 1-го вида микрорельефа определяется по формуле
,
где Sк – площадь волны канавки.
,
где е – величина эксцентриситета эксцентрика; r - радиус окружности, вписанной в граничные очертания канавки, имеющей ширину b и глубину h. Ширина канавки b = 2r, а радиус определяется выражением 
, где d – диаметр шара.
Относительная площадь канавок для поверхностей 2-го вида микрорельефа определяется по формуле
,
где 
,
где {i} – дробная часть численного значения i.
Для поверхности 3-го вида микрорельефа относительная площадь определяется по формуле
,
где
.
Назначение элементов режима вибронакатывания производится в следующей последовательности. По заданным виду микрорельефа, относительной площади и принятым параметрам виброголовки (nдв.х.,e,d, r) назначается частота вращения заготовки n. При этом нужно иметь в виду, что при , получившим значение целого числа, т.е. {i}=0, смещение канавок относительно друг друга не будет иметь места. При {i}=0,5 канавки смещены относительно друг друга на половину волны. В обоих случаях такое расположение канавок благоприятно сказывается на равномерности распределения смазки. Несколько хуже распределяется смазка, когда 0,5<{i}<1.
После определения i или {i} рассчитывается величина подачи S, ближайшее меньшее значение которой, имеющееся на станке, принимают в качестве действительной подачи.
Следует отметить, что для определения величины r, входящей в расчетные формулы, необходимо задаться глубиной канавки h, которая для данного обрабатываемого материала зависит от диаметра шарика (или радиуса сферы алмаза) и усилия вибронакатывания. Глубину канавок для термически необработанных сталей следует принимать в пределах 18-25 мкм, а для закаленных сталей – 3-8 мкм.
Лекция 22