Способ формообразования регулярного микрорельефа

Изобретение относится к финишной обработке преимущественно прецизионных деталей. Способ включает механическую обработку поверхности вращающейся детали с кольцевыми прорезями, соответствующими шагу микрорельефа. Обработку ведут при надетой на деталь маске струйно-абразивным способом, с последующим после снятия маски удалением наплывов металла на обработанной детали с помощью притирки. Изобретение позволяет повысить износостойкость обрабатываемой детали и производительность процесса. 2 ил.

 

Изобретение относится к механической обработке металлов, а именно к финишной обработке, преимущественно к обработке прецизионных деталей трения.

В качестве аналога взят способ создания регулярного микрорельефа [1]. Согласно [1] микрорельеф на телах вращения создается с помощью пластической деформации поверхности вибрирующим индентором - шариком или алмазным наконечником. Глубина создаваемого микрорельефа 0,5-20 мкм.

Недостатки аналога следующие: пластическая деформация поверхности детали индентором вызывает большие усилия в контактной зоне, приводящие к деформации всей детали, что в ряде случаев недопустимо. Так, непараллельность осей конической (запорной) части иглы распылителя форсунки двигателя автомобиля “Камаз” и цилиндрической (направляющей) части согласно технической документации не должна превышать 0,5 мкм. Таким образом, какие-либо значительные усилия в зоне контакта на финишных операциях в данном случае должны быть исключены. Другим недостатком аналога является его относительно малая производительность, так как в работе участвует один (или несколько) инструментов.

В качестве прототипа взят способ формообразования регулярного микрорельефа прецизионных пар трения выглаживанием [2]. Способ заключается в выдавливании на поверхности детали кольцевых или винтовых микроканавок алмазным наконечником. Экспериментально показано, что оптимальный (в плане износостойкости) шаг и ширина микроканавок равен 0,4-0,5 мм. Как указывает автор этого способа, нанесение на поверхность трения регулярного микрорельефа в виде кольцевых микроканавок с указанным выше шагом и шириной увеличивает износостойкость на 20-25% по сравнению с новыми парами за счет упрочнения поверхностного слоя и наличия маслоемких микроканавок.

Недостатки прототипа те же, что и аналога: силовое воздействие инструмента на обрабатываемую деталь вызывает ее деформацию. Относительно низкая производительность вызвана тем, что в работе участвует один инструмент.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является увеличение износостойкости и производительности процесса формообразования регулярного микрорельефа.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе формообразования регулярного микрорельефа, включающем механическую обработку поверхности вращающейся детали с кольцевыми прорезями, соответствующими шагу микрорельефа, согласно изобретению обработку ведут при надетой на деталь маске струйно-абразивным способом, с последующим после снятия маски удалением наплывов металла на обработанной детали с помощью притирки, при этом время обработки τ кольцевых прорезей определяется по формуле

где М_м - масса металла в кольцевых микроканавках, который необходимо удалить,

m - масса удаляемого металла, приходящаяся на 1 грамм абразива,

М_а - массовый расход абразива [г/с].

Оптимальный шаг кольцевых микроканавок равен 0,4-0,5 мм и экспериментально определен в прототипе. Глубина микроканавок h_к=(1,5-2)h_из, где h_из - глубина износа поверхности трения. Глубина микроканавок выбрана из следующих соображений. При более мелких канавках (h_к<1,5h_из) при износе поверхности трения уменьшается их материалоемкость (в нашем случае - соляроемкость) и они не оказывают существенного влияния на трение и износ контактных поверхностей. Формообразование более глубоких микроканавок, хотя и увеличивает материалоемкость, - нецелесообразно, т.к. увеличивает время их производства, расход абразива, а имеющийся в них запас смазочного материала не используется полностью. Толщина пленки топлива в зазоре между контактирующими поверхностями равна самому зазору (в случае распылителя форсунки автомобиля “Камаз” - порядка 2 мкм на новых распылителях). При увеличении этого зазора примерно в 2 раза эксплуатационные характеристики распылителя существенно ухудшаются вследствие утечки топлива по зазору, что является одной из причин “глухого” впрыска топлива в цилиндры двигателя - топливо не дробится на отдельные капли, а истекает из распылителя в виде струек.

Увеличение износостойкости при наличии микрорельефа в виде кольцевых микроканавок вызвано, во-первых, увеличением твердости поверхности детали в окрестности кольцевых микроканавок, т.к. в зоне удара абразивного зерна в радиусе до 1,5d_л, где d_л - диаметр лунки, остающейся на поверхности после удара абразивного зерна (d_л~0,1 d₃, где d₃ - диаметр зерна абразива), происходит наклеп металла, но главным образом вследствие образования сплошной пленки топлива вокруг выступающих поясков микроканавок, что достигается качественной обработкой контактирующих поверхностей корпуса распылителя и иглы (R_a≈0,04 мкм). Специальный эксперимент подтвердил это положение. Суть эксперимента заключалась в том, что выступы поясков дополнительно подвергались струйно-абразивной обработке таким образом, чтобы поверхность лунок, остающихся после удара абразивными зернами, была бы 25-50% от всей поверхности микропоясков. При такой площади лунок коэффициент трения, как показано в работе [1], минимальный. После удаления наплывов металла по краям лунок с помощью притирки в лунки втиралась латунь Л62 с целью дальнейшего снижения сил трения в зонах контакта выступов микропоясков и корпуса распылителя.

На фиг.1 показано смещение микроканавок, полученных струйно-абразивным способом при наличии на детали маски в виде колец из пружинной проволоки диаметром 0,4 мм, одетых на деталь с шагом 0,4 мм.

На фиг.2 - графики зависимостей износа распылителей, изготовленных по существующей технологии (1) и по предлагаемой технологии (2) при наличии на поверхности трения микроканавок, формообразованных струйно-абразивным способом.

По предлагаемой технологии была произведена доработка игл распылителей форсунок двигателя “Камаз”. В качестве маски использовались стальные кольца с внутренним диаметром ⊘ 5,8 мм, толщина проволоки 0,4 мм. Шаг кольцевых микроканавок был выбран равным диаметру проволоки - 0,4 мм. Шаг контролировался с помощью калибра и инструментального микроскопа ММ-2. Игла своим тупым концом закреплялась в полумуфте, другая половина которой была надета на вал двигателя Д-83 со скоростью вращения 24 об/мин. Расстояние от поверхности детали до пневматического сопла было равно 20 мм и устанавливалось с помощью металлической линейки с погрешностью ±0,5 мм. Использовался абразив электрокорунд с зернистостью м/о (размер зерна абразива 100-160 мкм), давление воздуха, подаваемого в сопло, равно 1,6 бар. Скорость удара зерна абразива (33,4 м/с) и глубина единичной лунки (0,6 мкм) были рассчитаны по известной методике [3]. Эти данные были необходимы для предварительной оценки объема абразива, необходимого для формообразования кольцевых микроканавок глубиной 4 мкм (h_к=2h_из). Средний коэффициент съема металла для игл распылителей (HRC≈ 60) оказался равным α =0,3 на 1 см³ абразива. Меньшая цифра (0,12 мг/1 см³ абразива) относится к начальной фазе обработки (до 20% времени) всей обработки. Затем коэффициент съема металла увеличивается до 0,46 мг/1 см³ абразива и колеблется около этой цифры в зоне ±15%. Таким образом, по известному объему металла, который необходимо удалить из кольцевых микроканавок, зная коэффициент съема металла, (среднее значение этого коэффициента принималось равным 0,3 мг/1 см³ абразива), можно найти необходимый объем абразива и, зная его расход, - время обработки.

После получения кольцевых микроканавок и снятия маски наплывы металла по их “берегам” удаляют с помощью чугунных притиров в два перехода: первым притиром - с зернистостью абразивной пасты 5 мкм, далее следовала промывка деталей в спирте и доводка шероховатости поверхности до исходной (Ra≈ 0,04 мкм) алмазной пастой с зернистостью 1 мкм вторым притиром.

Испытания на износостойкость производились на стенде, сделанном на базе настольного токарного станка марки ТШ-3. Возвратно-поступательное движение иглы в корпусе распылителя создавалось эксцентриком с эксцентриситетом 2 мм, скорость вращения эксцентрика 1200 об/мин. Корпус распылителя форсунки в своей нижней части обрезался. Игла одним своим концом упиралась в наружное кольцо подшипника, надетого на эксцентрик, таким образом износ в зоне контакта иглы с эксцентриком был исключен, второй конец был подпружинен пружиной с усилием 8 кг. С целью создания бокового давления на иглу со стороны корпуса распылителя угол корпуса распылителя с осью шпинделя станка ТШ-3 был равен 81° . Перед испытаниями игла смачивалась в солярке. Во время обработки солярка обильно подавалась на иглу в зоне ее входа и выхода из корпуса распылителя. Таким образом, угол 81° и усилие 8 кг, что значительно больше параметров, имеющих место при работе распылителя в реальных условиях, позволили в ускоренном режиме провести испытания на износостойкость распылителей, доработанных по предлагаемой технологии и изготовленных по существующей технологии.

Таким образом, предлагаемый способ струйно-абразивного формообразования регулярного микрорельефа по сравнению с существующими позволяет увеличить износостойкость прецизионных пар в среднем на 40%.

Источники информации

1. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. - Л.: Машиностроение, 1972, с.36-40.

2. Хворостухин Л.А. и др. Восстановление прецизионных пар трения выглаживанием. - Вестник машиностроения, 1979, №12, с.30-32.

3. Исупов М.Г. Шероховатость поверхности, получаемая струйно-ударной обработкой. - Вестник машиностроения, 1999, №11, с.50-52.

Способ формообразования регулярного микрорельефа, включающий механическую обработку поверхности вращающейся детали с кольцевыми прорезями, соответствующими шагу микрорельефа, отличающийся тем, что обработку ведут при надетой на деталь маске струйно-абразивным способом, с последующим после снятия маски удалением наплывов металла на обработанной детали с помощью притирки, при этом время обработки τ кольцевых прорезей определяют по формуле:

где M_м - масса металла в кольцевых микроканавках, который необходимо удалить;

m - масса удаляемого металла, приходящаяся на 1 г абразива;

M_a - массовый расход абразива, г/с.