Ручной процесс обработки цилиндрических поверхностей деталей дробью с разработкой специального устройства и способа контроля и управления процессом

 

Изобретение относится к дробеструйной отделочно - упрочняющей технологии цилиндрических поверхностей деталей, в том числе, блоков или гильз двигателей внутреннего сгорания, а также компрессоров. На обрабатываемый цилиндр устанавливают устройство, которое с помощью потока струи суспензии вращает турбоголовку. Через сопла турбоголовки формируют дробефакельным потоком жесткое дробефакельное кольцо, с помощью которого ведут обработку цилиндра с фальшцилиндрами в пределах заданного хода турбоголовки. Технический результат - расширение технологических возможностей дробеструйной обработки деталей. 2 з.п.ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Изобретение относится к дробеударной упрочняющей технологии цилиндрических поверхностей деталей, а именно к финишной обработке деталей преимущественно пар трения, в том числе цилиндров блоков или гильз ДВС, а также компрессоров.

Имеются устройства и установки отделочно-упрочняющей обработки деталей с цилиндрической формой поверхности дробеударным методом (см. авт. св. СССР N 272345, N 698751, N872235, N 1553361, N 1523319, N 1609542, N 1030152, N 1569206, N 852517).

Также известен способ обработки деталей цилиндрической формы стальными шариками в среде смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ), которая одновременно является носителем инструмента к обрабатываемой поверхности (авт. св. СССР N 814695, БИ N 11, 1981).

Настоящий процесс обработки заключает в себе удар единичного шарика о преграду, который носит контактно-сдвиговой характер с элементами обкатки, а само пятно зоны деформационного нагружения дробевого потока преобразуется в кольцевой деформационный источник нагружения, движущийся с заданной подачей относительно потока (пучка) дроби.

Такой вид обработки повышает качество обработки поверхности до (R_a = 0,16 мкм) и обеспечивает создание наклепанного слоя без образования подслойного максимума остаточных напряжений сжатия.

Выполняя обработку не на стационарной установке, а с помощью специального компактного устройства, устанавливаемого на цилиндр блока 1, вручную, стоящего на автомобиле со снятой головкой блока. А с помощью специальных ручек и пружины производится опускание и подъем турбоголовки на длину обрабатываемой поверхности. Для того, чтобы не было съема металла на торцах цилиндров сверху под устройство и снизу под цилиндр устанавливаются специальные прокладки 11 (называемые фальшцилиндрами). К поддону 10 присоединяется гибкий трубопровод 9, который идет через насос до турбонасадки устройства.

Технический результат изобретения - расширение технологических возможностей дробеустановкой обработки цилиндров в нестационарных условиях при упрочнении поверхностей цилиндров с обеспечением равномерности обработки, включая граничные участки их торцов при создании на обрабатываемой поверхности заданного микрорельефа.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом процессе отделочно-упрочняющей обработки цилиндрических поверхностей деталей дробью, подаваемой жидким или газообразным потоком, нагнетаемым специальным насосом, ведут обработку цилиндра в пределах заданного хода турбоголовки по ее осевой подаче вниз, вверх с помощью специальных ручек 6.

На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство, общий вид (первый вариант устройства для обработки одного цилиндра или гильзы); на фиг. 4 - общий вид для обработки нескольких цилиндров или сборного блока гильз, при котором опускание и подъем турбоголовки надо производить с помощью механического привода, посредствам ручного, гидравлического, пневматического или электрического движителя.

Показываемое на фиг.1 устройство содержит корпус, состоящий из основания в виде базовой опоры 2 и каркаса 3, в которые монтируется гидропривод 12, выполненный из металлической трубы, имеющий в себе на всем рабочем протяжении турбонасадку 4, по которым подается с помощью насоса 8 жидкая или воздухо-газообразная суспензия, которая, проходя через турбоголовку 5, вращает турбонасадку с турбоголовкой. Перемещение турбоголовки в осевом направлении вниз и вверх для обработки цилиндра по всей длине производится с помощью специальных ручек 6, которые перемещаются по специальным пазам в каркасе устройства, а возврат в верхнее положение производится с помощью пружины 7. Для удобства в работе турбопроводы, соединяющие поддон с насосом и насос с рабочим органом устройства, устанавливают из гибких шлангов 9.

Пример. Процесс обработки цилиндра блока автомобиля ВАЗ.

Без снятия двигателя с автомобиля производится его разборка. Снимается головка блока, поддон, коленчатый вал, поршни. На цилиндры и под цилиндры устанавливают фальшцилиндры. Сверху на блок над одним из цилиндров устанавливают разработанное устройство для отделочно-упрочняющей обработки цилиндра. Снизу устанавливается на свое место поддон, к которому вместо сливной пробки присоединяется гибкий шланг, идущий от насоса. Давление подаваемой суспензии с подшипниковыми шариками устанавливают, исходя из заданных условий обработки, в частности, P_ж = 3,0 - 5,0 МПа.

Исходная шероховатость поверхности цилиндров - 0,35 мкм. Исходная твердость НВ 80 - 100. Устанавливаемые фальшцилиндры по размеру диаметров отверстий идентичны блоку, и из того же материала. В качестве дроби применяются подшипниковые шарики ⊘ 1,8-2,0 мм ГОСТ 37622-70, III-IV степени точности. В качестве СОЖ - трансформаторное масло с присадком поверхностно-активного вещества (ПАВ). Частота двойных ходов турбоголовки 5 в вертикальном возвратно-поступательном направлении составляет 3 раза за одну минуту. При давлении P = 10 МПа частота вращения турбоголовки составляет 800 - 1000 об/мин. Полученные сравнительные данные по традиционной операции хонингования и отделочно-упрочняющей обработки дискообразным дробефакельным инструментом, сформированным турбонасадкой 4 и турбоголовкой 5, показывают, что топографический макро- и микрорельеф имеет более качественный характер, чем после выглаживания. При этом по высотным параметрам шероховатость у предложенного способа составляет R_a = 0,18 мкм, что и у чистого алмазного хонингования, но с более качественной кривой опорной поверхности выступов, что значительно повышает противоизносные характеристики обработанной поверхности. Кроме того, при замерах остаточных напряжений с фальшцилиндрами показано плавное распределение с максимумом у поверхности, что также дополнительно способствует увеличению противоизносных характеристик. Микротвердость приповерхностного слоя возрастает до 530 МПа. Сравнительные стендовые испытания цилиндров после хонингования и дополнительного ГДО показали исключение случаев надирообразования. В свою очередь дробеструйная обработка обеспечивает возможность постоянно поддерживать наличие смазки на трущихся поверхностях пары трения, что исключает прикипание поршней и колей к стенкам цилиндров при длительном нерабочем состоянии двигателя в климатических условиях с длительными сырыми временами в году и в среде воздуха с большими примесями присадок, химической загазованности.

На обрабатываемую поверхность 1 деталями направляют струю суспензии с размером стеклянных шариков 250 - 315 мкм и энергией 2800 - 3000 Дж, одновременно вводят антифрикционный порошок 3 в количестве 10-30% от содержания дроби. Шарики дроби 2, обладая скоростью порядка 150-160 м/с и максимальным запасом кинетической энергии, ударяются с поверхностью 1, производят работу микрорезания и образуют наибольшие микровпадины 4, служащие в дальнейшем для размещения и удержания смазки. Частицы антифрикционного порошка 3, ударяясь о поверхность, создают одновременно на ней тонкий слой покрытия 5.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема способа; на фиг. 5 - график зависимости глубины микровпадин от размеров абразивных зерен; на фиг. 3 - вид А фиг. 4.

Способ осуществляется следующим образом. С помощью турбоголовки устройства для обработки цилиндров на обрабатываемую поверхность 1 детали направляют струю, состоящую из суспензии сжатого воздуха с энергией 2800-3000 Дж. Суспензия состоит из зерен дроби 2 с размером стеклянных шариков 250 - 315 мкм, антифрикционного порошка 3 в количестве 10-30% массы от содержания дроби. Шарики 2, обладая скоростью порядка 150-160 м/с и максимальным запасом кинетической энергии, ударясь о поверхность 1, производят работу микрорезания и образуют наибольшие микровпадины 4, служащие в дальнейшем для размещения и удержания смазки. Частицы антифрикционного порошка 3, ударяясь о поверхность 1, создают одновременно на ней тонкие слои покрытия 5, 6 с повышенными эксплуатационными свойствами. Слой 5 антифрикционного покрытия, вбитый в поверхность стеклянными шариками с нанесением микростекловолокнистого покрытия 6 отделившихся частиц от поверхностей стеклянных шариков.

Стеклянные шарики размером до 50 мкм, приравненные по своему составу к абразиву карбида кремния зеленой марки 63C. Обработке подвергались образцы из цилиндров блоков, установленные от сопла на расстоянии до 80 мм.

Результаты обработки приведены в таблице. Зависимость глубины микровпадин от размеров абразивных зерен подтверждается графиком (фиг.5), построенным на основании данных таблицы.

Как видно из данных таблицы и графика, максимальная глубина микровпадин, характеризующая повышенную маслоемкость, а следовательно, и улучшенные эксплуатационные свойства обработанной поверхности детали, получаемую при использовании струи с энергией 2800 - 3000 Дж, дроби с размером шариков 250 - 315 мкм и антифрикционного порошка в количестве 10 - 30% массы от содержания дроби.

Пример. В качестве антифрикционного материала - смесь порошков из антифрикционной бронзы Бр А11Ж6Н6 и дисульфид молибдена марки ДМ-1, всего 10% массы от содержания дроби. Обработка поверхностей образцов производилась вместо хонингования после тонкой расточки. Стеклянные шарики (дробь), по свойствам приравненные к электрокоруду нормальной марки. Энергия подаваемой струи 3000 Дж.

Замеры показали, что наибольшая глубина полученных микровпадин 14-16 мкм. По сравнению с хонингованной удельная маслоемкость поверхности обработанной предлагаемым способом увеличилась до 5 раз, слой антифрикционного покрытия составил 2-3 мкм. Микротвердость поверхностного слоя повышается при минимальных значениях с 80-120 до 250-280 единиц, как минимум. Износостойкость повысилась не менее чем до 2 раз. Практически исключается надирообразование в процессе работы пары трения. Отрицательной стороной является дополнительный расход масла при приработке пары трения - кольцо, поверхность цилиндра, которая может регулироваться в зависимости от режимов обработки, применяемых суспензий и присадок, а также диаметра дроби.

Использование предлагаемого процесса с применением разработанного устройства позволяет расширить технологические возможности дробеструйной обработки в результате обработки внутренних поверхностей цилиндров, включая граничные участки их торцов.

Известен способ контроля и управления процессом абразивно-струйной обработки поверхностей деталей (см. авт.св. СССР N 852517) и может найти применение при дробеструйной обработке деталей стеклянными или стальными шариками при введении в формулу дополнительных коэффициентов используемых при обработке деталей.

По известному способу регулирование рабочих скоростей осуществляют назначением рабочей скорости полета инструмента (дроби) без учета исходных технологических параметров, применяемой суспензии и применяемых антифрикционных порошков, которые влияют на критические скорости полета дроби, что не позволяет оценить результат обработки и тем самым снижает эффективность контроля и управления процессом дробеструйной обработки поверхности деталей.

Техническим результатом изобретения в части способа является повышение эффективности контроля и управления процессом абразивоструйной обработки.

Указанное достигается тем, что в предлагаемом способе в качестве контролирующего параметра выбирают рабочие скорости и контроль осуществляют, сопоставляя рабочие и критические скорости в зависимости от чистоты обрабатываемой поверхности, а управление осуществляют регулированием рабочих скоростей абразива, для этого определяют технологические параметры процесса с учетом коэффициентов применяемой и применяемых порошков антифрикционных присадок в соответствии со всеми параметрами составляющих из условия: где h_о - глубина отпечатка, которую определяют при контрольных испытаниях; d_o - приведенный диаметр частицы абразива при контрольных испытаниях; γ₀ - удельный вес дроби при контрольных испытаниях; V_o - скорость удара частицы дроби при контрольных испытаниях; HB_o - твердость материала обрабатываемой поверхности при контрольных испытаниях; S - плотность суспензии при контрольных испытаниях (без присадок и дроби); h_п - глубина отпечатка от антифрикционной частицы, которую определяют при контрольных испытаниях;
d_п - приведенный диаметр частицы из антифрикционного порошка (присадки) при контрольных испытаниях;
γ_n - удельный вес частицы из антифрикционного порошка при контрольных испытаниях;
h₁;d₁;γ₁,v₁;h_n;d_n;d_n;γ_n;v_n;s и HB - соответствующие параметры действительного технологического процесса.

Способ контроля и управления процессом дробеструйной обработки поверхности деталей путем регулирования рабочих скоростей состоит в том, что в качестве контролирующего параметра выбирают рабочие скорости и контроль осуществляют, сопоставляя рабочие и критические скорости в зависимости от чистоты обрабатываемой поверхности, а управление осуществляют регулированием рабочих скоростей дроби, для этого определяют технологические параметры процесса в соответствии с фракционным составом из условиях предложенной зависимости.

При этом критическую скорость для дроби и частиц порошка определяют разрушением дроби, ударом о преграду в виде твердой гладкой эталонной поверхности и острия типа клина. Сравнением полученных скоростей получают шаг или размах вероятных значений критических скоростей при обработке в действительных условиях.

Критические скорости определяют для различных размеров дроби и частиц присадочных порошков, (твердосплавной материал) например, дроби 0,5; 1,0; 1,5; и - 2 мм, порошка 0,005; 0,010; 0,015; 0,02; 0,025 мм, то есть заданной кратностью размеров для повышения ускорения и повышения прочности определений. Во всех случаях угол атаки выдерживают равным 90^o и обеспечивают постоянную твердость обрабатываемой эталонной поверхности. Сравнением полученных значений критических скоростей получают зависимость их от размера дроби и частиц присадочного порошка.

Для обеспечения управления процессом обрабатывают другие контрольные или эталонные образцы, например, различной твердости.

При контрольных испытаниях образцов обеспечивают рабочие скорости полета или удара меньше критических и при этих условиях после замера глубины отпечатка их сравнением определяют зависимость глубины отпечатка от скорости удара, твердости поверхности контрольных образцов, удельного веса и размера дроби и присадочных частиц, например, в виде приведенного диаметре. Во всех случаях обработки контрольных образцов угол атаки выдерживают 90^o.

Управление действительным процессом обработки осуществляют регулированием рабочих скоростей дроби и присадочных частиц, для этого определяют технологические параметры процесса в соответствии с фракционным составом из условия предложенной зависимости и тем самым контролируют и управляют действительным процессом обработки, обеспечивая необходимое качество и чистоту поверхности деталей.

При этом фракционный состав рабочей дроби и присадочных частиц определяют рассевом через набор сит с определенным размером ячеек или сепарацией.

Во всех случаях действительного процесса обработки поверхности изделий рабочий скорости полета дроби и частиц (или удара его) обеспечивает меньше критических в соответствии с чистой поверхности, чем сохраняют долговечность дроби и контроль, и управляемость процесса.

Пример. Дробеструйная обработка образцов или деталей чугунной дробью. Предварительно обеспечивают рассев дроби по фракциям 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; мм и присадочных частиц 0,005; 0,010; 0,02; 0,025 мм через сепаратор с набором сит или по ГОСТам.

Для части дроби одной фракции или постоянного размера дроби обеспечивают разрушение воздействием на эталонную поверхность и тем самым определяют энергию разрушения для дроби и частиц присадочного порошка.

При этом, например, известным фотоэлектрическим или другим методом замеряют скорости разрушения или критическую скорость, а сопоставлением замеренных скоростей при обработке различных типов по чистоте поверхностей, например, гладкая или типа клин, для разных размеров или указанных фракций дроби определяют зависимость скорости разрушения (критической скорости) от размера дроби. Мелкие частицы антифрикционных присадок образно можно принять тоже за дробь.

Затем другой частью дроби воздействуют на эталонную поверхность, при этом обеспечивают неразрушение дроби. С помощью зрительных труб и штриховых мер (микроскоп или другой измерительный инструмент) замеряют глубины и ширины отпечатков, твердость эталонной поверхности, определяют удельный вес дроби.

Сопоставлением полученных и замеренных данных получают зависимость глубины и ширины отпечатка от скорости удара дроби, ее размера, удельного веса и твердости эталонной поверхности.

Во всех случаях за размер дроби принимают ее приведенный диаметр, чем обеспечивают сопоставимость полученных данных. Например, для шара этой величины будет являться диаметр шара.

Полученные данные представляют в табличной, а затем в графической или аналитической форме.

На фиг. 6 изображен график, где по оси ординат отложены критические скорости (в м/с), а по оси абсцисс - приведенный диаметр или размер шариков дроби (в мм); кривая 1 соответствует круглой дроби, а кривая 3 - оптимальным рабочим скоростям.

Сопоставление этих данных показывает, что критическая скорость зависит от размера абразива и возрастает с его уменьшением.

На фиг. 7 дан график, где по оси ординат глубина отпечатка и скорость удара, а по оси абсцисс - приведенный диаметр (шариков) дроби, показано изменение глубины отпечатка в зависимости от размера (шариков) дроби при удельном весе дроби 7,8 г/см³.

Табличные и графические данные показывают, что критическая скорость зависит от вида и размера дроби, а оптимальная рабочая скорость (равная 0,5 критической из условия долговечности) резко уменьшается с ростом размера абразива, что указывает на необходимость обеспечения однородного и одинакового (или близкого) по размеру фракционного состава рабочей дроби.

С учетом полученных данных сравнения дальнейшие контроль и управление действительным процессом дробеструйной обработки поверхности деталей осуществляют регулированием рабочих скоростей из условия предположенной зависимости по величине не выше оптимальной, равной 0,5 критической скорости, обеспечивая заданную чистоту поверхности в соответствии с замеренной твердостью HB, удельным весом абразива и имеющимся размером дроби.

Применение способа позволяет более точно определить рабочие скорости, а по ним задать и проконтролировать необходимые рабочие параметры технологического процесса обработки для каждого конкретного случая и тем самым повысить эффективность контроля и управления процессом дробеструйной обработки изделий.

Формула изобретения

Способ отделочно-упрочняющей обработки цилиндрических поверхностей, при котором на внутреннюю поверхность цилиндра через узел подачи воздействуют гидропотоком суспензии, включающей шарики при относительном возвратно-поступательном и вращательном движении узла подачи и обрабатываемого цилиндра, отличающийся тем, что берут фальшцилиндр, устанавливают его на торец обрабатываемого цилиндра, в суспензию дополнительно вводят присадки, а в качестве узла подачи гидропотока суспензии берут турбоголовку с турбонасадкой и последней сообщают вращательное движение посредством гидропотока суспензии, который подают через турбоголовку, при этом процесс обработки ведут в течение 3 - 5 мин, а возвратно-поступательное движение турбонасадки осуществляют вручную.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве присадки в суспензию вводят антифрикционный материал.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве присадки в суспензию вводят твердосплавной материал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8