Дипломная работа: Повышение надежности и долговечности работы манжетных уплотнений валов автомобилей ВАЗ
Данная конструкция выглаживающей головки позволяет за счет шарнирной установки инструмента обеспечивать его самоустановку относительно обрабатываемой поверхности.
На рис 1.21, а представлена конструкция инструмента с паянным креплением выглаживающего элемента 1 к державке 2. На рис. 1.21,б представлена конструкция инструмента с механическим креплением выглаживающего инструмента. В этом случае выглаживающий элемент 1 крепится к державке 2, имеющей разрезную форму с помощью болтового соединения 3.
Рис. 1.20. Схема крепления широкого самоустанавливающегося инструмента
а) б)
Рис. 1.21. Схемы широких самоустанавливающихся инструментов:
а) с паянным креплением выглаживающего элемента;
б) с механическим креплением
На рис. 1.22. показан внешний вид широких самоустанавливающихся выглаживателей (а – с механическим креплением, б – с паянным креплением).
а) б)
Рис. 1.22. Широкие самоустанавливающиеся инструменты:
а) с механическим креплением;
б) с паянным креплением выглаживающего элемента.
Для выполнения обработки детали широким самоустанавливающимся выглаживателем достаточно совершить 3-5 оборотов. Учитывая это обстоятельство, можно рассчитать степень повышения производительности обработки при использовании нового способа по сравнению с обычным выглаживанием.
Число оборотов, которое совершает деталь при обычном выглаживании составляет:
,(1.4)
где l – длина обрабатываемой поверхности, измеренная вдоль оси заготовки, S величина продольной подачи на оборот заготовки.
Коэффициент, показывающий степень увеличения производительности:
,(1.5)
где n2 число оборотов детали при обработке по новому способу.
Приняв l = 15 мм, S = 0,07 мм/об, n2 = 3, получим КП = 71. Таким образом при использовании предложенного способа выглаживания производительность может быть повышена в десятки раз, что позволяет внедрять его в массовое производство.
Разработанная конструкция устройства позволяет обеспечить самоустановку инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность способа не только в отношении производительности, но и в отношении качества обработки. При обычном выглаживании обработанная поверхность имеет характер резьбы. Профиль такой поверхности образуется пересечением радиусных следов инструмента, в результате чего формируются неровности с шагом, равным подаче на оборот. Формирование поверхности по новому способу осуществляется по методу копирования, что исключает упомянутые недостатки обычного выглаживания. Эксперименты показали, что по параметру Ra шероховатость поверхности, обработанной по новому способу, оказалась в 1,5...2 раза ниже чем, при выглаживании с продольной подачей. Так же следует отметить, что из-за значительного снижения пути, проходимого инструментом в процессе обработки при новом способе, в качестве рабочей части выглаживателя можно применять менее стойкие и менее дешевые материалы, чем алмаз (композит, твердые сплавы).
Процесс выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом сальниковых шеек коленчатых валов был внедрен в Механосборочное производство ОАО «АвтоВАЗ». Был модернизирован полировальный станок фирмы «Нагель» (код 012.071.32), в результате чего были заменены рычаги для прижатия полировальной ленты к обрабатываемой поверхности, на рычаги для прижатия выглаживателей (см. рис. 1.23).
Рис. 1.23. Схема обработки широкими самоустанавливающимися выглаживателями
Обработка сразу двумя инструментами дает ряд преимуществ:
– позволяет в двое сократить время обработки (при обработке сальниковых шеек на ВАЗе данным способом необходимая шероховатость Ra=0,2…0,4 достигалась за 1…2 оборота детали)
– соосные силы (Р=16…12 кН), действующие от инструментов на обрабатываемую деталь, компенсируются и предотвращают деформацию заготовки.
1.2 Разработка способа обработки для нанесения микрорельефа на сальниковые шейки деталей ВАЗ
Проанализировав требования, предъявляемые к поверхности вала под манжетное уплотнение (см. п. 1.2.) предлагается новый метод обработки – выглаживание широким самоустанавливающимся инструментом с наложением колебаний. Данный метод обработки схематично изображено на рис. 1.24.
Сущность данного метода обработки заключается в следующем: цилиндрический инструмент (выглаживатель) 2, длина образующей которого больше ширины обрабатываемой поверхности, поджимают с постоянной силой к обрабатываемой детали 1, и его ось качают вокруг оси, проходящей по нормали к обрабатываемой поверхности через центр пятна контакта, а детали придают вращательное движение.
Рис. 1.24. Способ отделочно-упрочняющей обработки широким самоустанавливающимся инструментом
В отличие от ранее предложенного способа широкого выглаживания (см. пункт 1.2), колебания инструмента по предложенной схеме дает ряд преимуществ: решается проблема возникновения погрешности при установе (тяжело установить инструмент точно параллельно горизонтали), потому что при колебании инструмент обязательно будет находится в определенный момент в горизонтальном положении, решается проблема образования большой волны перед инструментом, а также на поверхности вала образуется микрорельеф в виде наклонных к оси деталей канавок, глубина которых увеличивается от периферии обработанной поверхности к центру пятна контакта инструмента и детали в процессе обработки. Данный способ наряду с упрочнением реализует эффект гидродинамического трения, что повышает износостойкость уплотнительных узлов, а также в месте контакта манжеты и вала будет создаваться гидронапор в сторону герметизирующей полости, который снижает давление рабочей среды на кромку манжеты и «вымывает» частицы износа и абразива из зоны контакта манжеты с валом см. рис. 1.25.
Рис. 1.25. Схема работы полученного микрорельефа в процессе эксплуптации
Так как обработка производится широкими выглаживателями, данный метод имеет высокую производительность и может использоваться в массовом производстве. При этом процесс обработки может производится не одним а несколькими инструментами, которые могут располагаться как равномерно так и неравномерно по окружности обрабатываемой детали, могут работать синхронно или асинхронно друг относительно друга. В зависимости от этих факторов на поверхности будет формироваться определенный микрорельеф, практическая реализация всевозможных схем выглаживания для оценки получаемого рельефа в условия производства имеет очевидную экономическую невыгоду, поэтому гораздо целесообразнее заранее аналитически предсказать, какой микрорельеф сформируется на обработанной поверхности, такой подход решения поставленной задачи способна реализовать современная вычислительная техника. Поэтому в последующих главах будет разработана математическая модель, реализовав которую на компьютере, появится возможность моделировать процесс обработки вне условиях производства.
2. Качество и эксплутационные свойства деталей, обработанных ППД
2.1 Анализ микрогеометрии поверхности, обработанной ППД
Микрогеометрия поверхности оказывает большое влияние на эксплуатационные свойства деталей машин. При снижении шероховатости растет предел выносливости, износостойкость и сопротивляемость поверхностному выкрашиванию. Исследованием качества обрабатываемой поверхности, а также вопросами конструкции и технологии обработки методами ППД посвящены работы П.Г. Алексеева, М.А. Балтер, В.А. Белова, В.М. Браславсого, Е.Г. Коновалова и В.А. Сидеренко, И.В. Кудрявцева, А.А. Маталина, Д.Д. Папшева, Ю.Г. Проскурякова, Л.М. Школьника и В.И. Шахова, Ю.Г. Шнейдера и др.
В настоящее время известны многие качественные зависимости между условиями и результатами обработки ППД [35]. Э.В. Рыжков в своих работах [33] попытался проанализировать и обобщить труды вышеперечисленных ученых и выяснить какое влияние оказывает наиболее существенные параметры (сила деформирования, продольная подача, число проходов) обработки ППД на несущую способность поверхности. В результате выяснилось следующее:
По мере увеличения силы деформирования профиля на снижение исходных микронеровностей все большее относительное значение оказывает шероховатость инструмента, которая копируется на обрабатываемой поверхности. Соответствующие профилограммы приведены на рис. 2.1.
Исходная шероховатость инструмента определяет начальный участок кривой опорной поверхности обкатанной детали, причем в зависимости от соотношения шероховатостей инструмента и окончательно обработанной поверхности этот участок может иметь большую или меньшую протяженность. Процесс изменения кривой показан на рис 2.2 (кривые изображены в логарифмитических координатах). Достаточно четко различимы два участка, границей между которыми является линия А–А. Профиль опорной кривой слева определяет параметрами шероховатости инструмента, справа – исходными характеристиками качества поверхности и режимами ППД. По мере роста силы деформирования все большее относительное значение приобретает шероховатость индентора и, начиная с определенного момента, полностью определяет шероховатость поверхности обработанной детали.
Рис. 2.1. Типовые профилограммы микронеровностей после отделочно-упрочняющей обработки в зависимости от сил деформирования:
a P = 0; б – P = 60 кГс; в – P = 200 кГс; г – P = 300 кГс
При алмазном выглаживании с продольной подачей обработанная поверхность имеет характер резьбы. Профиль такой поверхности образуется пересечением радиусных следов инструмента, в результате чего формируются неровности с шагом, равным подаче на оборот. Поэтому уменьшение продольной подачи приводит к снижению обработанной поверхности.
Увеличения числа проходов (при обычном выглаживании) или числа циклов нагружения (при широком выглаживании) приводит к снижению шероховатости, однако сочетание больших усилий и количеств циклов нагружений (числа проходов) приводит к исчерпанию резерва пластичности материала и появлению дефектного слоя, что визуально определяется как «отшелушивание» на поверхности детали.
Рис. 2.2. Кривые относительной опорной длины профиля в зависимости от сил деформирования Р при отделочно-упрочняющей обработке:
a P = 0; б – P = 60 кГс; в – P = 200 кГс; г – P = 300 кГс
Однако графические и экспериментальные зависимости недостаточно удобны при разработке технологических процессов, особенно, если при этом используют ЭВМ. Поэтоуму существует ряд аналитических зависимостей, определяющие исходную связь между параметрами и показателями обработки ППД [1, 3, 13].
2.2 Анализ влияния создаваемых микрорельефов при обработке ППД на качество работы уплотнительных узлов
В предыдущей главе был рассмотрен способ вибровыглаживания, предложенный Ю.Г. Шнейдором (см. рис. 1.16). Для оценки эффективности нанесения микрорельефа на подманжетные шейки валов данным способом был проведен ряд экспериментов [35]: уплотнительные пары вращательного движения монтировались на испытательном стенде из резиновых манжет типа УМА и сталь. И закаленных подманжетных втулок (50 HRC3), шлифованных до Ra = 0,32 мкм с последующим хромированием, а также вибровыглаженных с различными микрорельефами (см. рис. 1.19). Усилие пружин в манжетах составляло 11–12 Н. В испытательную камеру подавалось масло индустриальное 45 под давлением 0,4 МПа. Подманжетные втулки прирабатывались на стенде в течение 40 ч; стендовые испытания длились 160 ч. при восьмичасовой сменности. Герметичность характеризовалась величиной утечек масла через уплотнения.
При исследовании контактного взаимодействия сопряжения манжеты с валом было установлено, что оно характеризуется толщиной разделительной смазочной пленки, гидроплотностью, коэффициентом трения и температурой рабочей кромки манжеты. Проверка теоретических формул была проведена с одновременной регистрацией на осциллографической пленке скорости скольжения, силы трения, температуры масла и рабочей кромки манжеты, толщины смазочной пленки в диапазонах скоростей 0,1—20м/с, контактных давлений 0,3—2,0 МПа, температур рабочей кромки 80—160°С.
Контакт манжеты с вибровыглаженным валом характеризуется во всем диапазоне скоростей и давлений образованием стабильной разделительной смазочной пленки и циркуляцией масла в зазоре, уменьшенной тепловой и механической напряженностью, отсутствием крутильных колебаний рабочей кромки.
Сколь существенно влияние микрорельефа рабочей поверхности металлического контртела на гидроплотность и износостойкость соединения можно видеть из примеров на рис. 2.3. Объем утечки смазки в зависимости от микрорельефа вибровыглажанных подманжетных втулок изменялся от 39 до 310,5 см8, однако во всех случаях был меньшим, чем у пар со шлифованной и хромированной втулками (V = 357,5 см3). При этом была выявлена несостоятельность практики нормирования лишь высоты неровностей рабочих поверхностей металлического контртела. Несравнимо большее значение имеет форма микронеровностей и их расположение. Пары со шлифованными до Ra = 0,32 мкм втулками были наименее герметичными (V = 337,5 см3), в то время как вибровыглаживание с Ra = 2,5 мкм обеспечили наилучшую герметичность (V = 39 см3). Характерно, что пары с наилучшей герметичностью оказались и наиболее износостойкими. По-видимому, образующийся при вибровыглаживании микрорельеф с неровностями относительно большей высоты (Ra = 10 мкм) по сравнению со шлифованием (Ra = 1,88 мкм), а также пологой формой (r = 2580 мкм, при шлифовании s = 39,4 мкм) и с большим шагом (s = 712 мкм, при шлифовании s = 0,021 мм) благоприятен не только в отношении сопротивления износу, но и обеспечения герметичности.
В этом случае резина «затекает» во впадины микрорельефа, заполняя его и предотвращая тем самым протекание масла. Немаловажное значение имеет и лабиринтный характер взаиморасположения выступов и впадин поверхности образующейся при вибровыглаживании.
Рис. 2.3. Зависимость величины накопленных утечек V от длительности t испытаний уплотнительной пары вращательного движения; подманжетные втулки обработаны: 1 шлифованием; 2-4 – вибронакатывание
Таким образом, оптимизация микрорельефа рабочих поверхностей металлических деталей гидроуплотнительных пар является радикальным средством повышения их герметичности.
2.3 Факторы, обеспечивающие возникновение остаточных напряжений сжатия и повышение микротвердости поверхности, обработанных ППД
Долговечность работы подманжетной шейки вала во многом зависит от величины остаточных напряжений, глубины и степени упрочнения поверхностного слоя. Поэтому определение этих физико-механических параметров является важной задачей при проектировании технологии изготовления конкретных деталей.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
