При разработке технологического процесса обработки деталей режуще-деформирующим методом требуется знать влияние как технологических, так и конструктивных факторов инструмента на параметры качества обработанной поверхности и точность обработки детали. Качество обработанной поверхности характеризуется двумя основными признаками: физико-механическими свойствами поверхностного слоя материала и степенью шероховатости поверхности. Качество поверхностного слоя материала обуславливается свойствами материала и методами механической обработки.

На основании ряда проведенных исследований [4] было выдвинуто утверждение, что метод комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием нежестких деталей типа полый цилиндр обеспечивает выигрыш в производительности, высокие показатели точности обработки (8 – 9 квалитет) и хорошую шероховатость обработанной поверхности (R_a=0.08…0.32 мкм).

Рассмотрим процесс формирования поверхностного слоя нежесткой детали типа полый цилиндр в процессе комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием. Учитывая, что при обработке специальным устройством для комбинированной режуще-деформирующей обработки деформирующий элемент идет следом за режущим, примем допущение, что процесс поверхностного пластического деформирования протекает самостоятельно и свободно.

При обработке деталей, в частности, нежестких полых цилиндров, поверхностным пластическим деформированием образуется новая поверхность с шероховатостью, зависящей от основных параметров обработки.
Не совсем корректным является положение о том, что микропрофиль поверхности – это след задней поверхности инструмента, поскольку от места контакта инструмента с деталью возникает течение металла, что вызывает искажения.
Пластическое течение металла происходит как в направлении подачи с образованием волны, перемещающейся вместе с инструментом, так и в направлении, противоположном направлению подачи искажая ранее образованный соседний микропрофиль [1].

В начале процесса обработки за первый оборот детали деформирующим инструментом происходит образование канавки с волнами по обеим сторонам.
При втором обороте детали инструмент, который переместился на величину подачи за оборот S, формирует вторую канавку, глубина которой больше глубины первой, поскольку из-за перекрытия траектории движения инструмента по поверхности детали уменьшается контактная площадь и возрастает контактное давление.
Далее все происходит по описанной выше схеме, однако, по прошествии некоторого времени процесс стабилизируется, т.е. уже не будет происходить относительного углубления следов инструмента, но вместе с этим образование вторичного (микро)профиля поверхности не прекратится.
В [4] указывается, что пластическое течение металла происходит в области, ограниченной смежной впадиной.
Однако при обработке с большими давлениями и малыми подачами эта область может захватывать несколько соседних микронеровностей, что приведет к повторному искажению.

На рисунке 1 представлена схема взаимодействия деформирующего ролика и обрабатываемой поверхности. Как видно из данной схемы, в точке С, являющейся центром впадины, металл получает наибольшую деформацию, а в точке В деформация минимальна [4]. Отсюда можно сделать вывод, что после упругого восстановления материала детали высота микронеровностей будет отличаться от рассчитанной теоретически на величину разности величин упругой деформации в точках В и С:

Рисунок 1 – Схема взаимодействия деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью

 (1)

где:

S – подача за оборот детали,

R – радиус рабочей части деформирующего элемента,

ω_C, ω_B – значения упругой деформации в точках В и С [4].

Если в процессе обработки к перемещающемуся по поверхности деформирующему элементу приложить радиальные усилия, постепенно увеличивая их, то по мере возрастания данных усилий можно наблюдать 3 характерных этапа процесса образования новой микрогеометрии обработанной поверхности. Стадии деформирования микронеровностей обточенной поверхности представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Стадии формирования микронеровностей обточенной поверхности

Первый этап [6] образования новой микрогеометрии обрабатываемой поверхности представляет собой процесс сглаживания исходных микронеровностей до определенного заполнения микровпадин. В ходе этого этапа вершины микронеровностей осаживаются и притупляются, образуя площадки контакта, при этом их опорная поверхность существенно увеличивает свою площадь. Одновременно с этим впадины микронеровностей приподнимаются, что является следствием перераспределения металла микронеровностей и смыкаются. Указанные явления приводят к упрочнению поверхностного слоя металла и к возникновению в нем начальных сжимающих напряжений, что значительно повышает эксплуатационные характеристики обработанной детали. В идеале впадины полностью смыкаются, при этом поверхность обладает равномерностью сжимающих напряжений.

На втором этапе происходит увеличение глубины и поверхностной твердости упрочненного слоя, возрастают сжимающие напряжения и увеличивается плотность дислокаций в поверхностном слое материала детали.

Третий этап образования новой микрогеометрии обрабатываемой поверхности характеризуется увеличением глубины микронеровностей поверхности вследствие перенаклепа пластически деформированных верхних слоев металла детали.

В работе [7] представлена аналогичная картина образования новой поверхности детали после поверхностного пластического деформирования. В этой работе отмечено, что очаг деформации (далее ОЧД) обладает небольшими относительно объема обрабатываемой заготовки размерами, а граничные условия для напряжений и скоростей могут определяться в том числе и внеконтактной зоной ОЧД в виде волн вокруг инструмента.

В данной работе [7] автор различает следующие виды ОЧД и связанные с их возникновением явления. В результате образования ОЧД первого вида происходит незначительное сглаживание начальной шероховатости при осаживании выступов и подъема впадин микронеровностей поверхности.
ОЧД второго вида образуется в результате увеличения силы обработки и приводит к возникновению перед инструментом пластической волны металла с высотой, не превышающей линию выступов шероховатости обрабатываемой поверхности.
ОЧД третьего вида сопровождается пластической волной металла, превышающей линию выступов шероховатости поверхности. Также возможен вариант третьего вида ОЧД при обработке на режимах, вызывающих разрушение поверхностного слоя, с большим объемом волны островершинного профиля,
имеющей наклон в направлении подачи.
В указанной работе [7] автором были сформулированы технологические условия образования ОЧД всех видов, теория формирования поверхностного слоя основана на ОЧД третьего вида.

Таким образом, на основании всего вышесказанного можно сделать заключение, что процесс формирования шероховатости обработанной поверхности делится на три основные стадии, а на ее величину после обработки поверхностным пластически деформированием влияют форма и размер деформирующих элементов инструмента, величина осевой подачи рабочего элемента деформирующего инструмента, радиальное усилие (а точнее, удельное давление в зоне контакта деформирующего элемента с деталью), число циклов нагружения, физико-механические свойства обрабатываемого материала и пр., что и подтверждается исследованиями ряда авторов в работах [4, 5, 7].

Выводы: процесс формирования шероховатости поверхностного слоя нежестких деталей типа полый цилиндр в процессе комбинированной режуще-деформирующей обработки происходит в три основные стадии, а на величину шероховатости влияют множество факторов, такие как форма и размер деформирующих элементов, величина осевой подачи, радиальное усилие, число циклов нагружения, физико-механические свойства обрабатываемого материала и т.д.

Все эти способы имеют существенный недостаток: невозможность определить число контактирующих зерен в динамике. В этом случае менее затруднительным и более дешевым способом было бы получение данных о распределении вершин зерен в круге по профиллограммам обработанной поверхности.

Рабочая поверхность абразивного инструмента и обработанная поверхность – две взаимосвязанные системы. Таким образом, шероховатость обработанной поверхности может быть представлена как результирующий профиль рабочей поверхности абразивного инструмента.

При разработке способа определения количества зерен принимались следующие допущения: каждое зерно имеет только одну режущую вершину и оставленный след на обработанной поверхности – это след только от одного зерна.

Чтобы определить число вершин зерен и их распределение, в зависимости от высоты профиля необходимо определить распределение следов зерен, оставленных вершинами зерен абразивного инструмента на различных уровнях сечения и знать вероятность контакта на этих уровнях.

Для решения сформированной выше цели была разработана методика расчета распределения вершин зерен с использованием профилограммы обработанной поверхности, включающая в себя следующие основные этапы:

- определение числа отпечатков вершин абразивных зерен на различных уровнях сечения профиллограммы шероховатости шлифованной поверхности;

- расчет общего числа активных зерен, прошедших через рассматриваемое сечение на различных уровнях с учетом вероятности контакта;

- расчет распределения числа вершин зерен на различных уровнях рабочей поверхности абразивного инструмента.

Реализация  данного метода трудоемкий процесс, поэтому он требует автоматизации. Для этого был разработаны программные продукты, которые позволяют определять плотность распределения вершин зерен (имеют государственный номер регистрации).

Для оценки возможностей практического использования данной методики были проведены экспериментальные исследования процесса плоского врезного шлифования.

В деталях и узлах парогенераторов атомных ректоров, химических и нефтехимических аппаратов имеется большое количество глубоких отверстий, где отношение длины к диаметру больше 5. При этом к отверстиям предъявляются высокие требования по точности изготовления и качеству поверхности.

При изготовлении узлов соединения теплообменных труб одной из важнейших и трудоемких операций является процесс формообразования глубоких отверстий.

В отверстия различными способами (гидравлическим, взрывом, механической развальцовкой) запрессовываются трубки. Концы труб закрепляются в трубных досках или коллекторах с рабочей зоной, имеющей форму цилиндра. Узлы соединения труб должны обеспечивать высокую надежность и большой ресурс работы. Представителями теплообменных аппаратов такого типа являются парогенераторы (ПГ), подогреватели высокого давления (ПВД), подогреватели низкого давления (ПНД) для атомных реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200, теплообменное оборудование для реакторов БН-600 и БН-800. В коллекторах парогенераторов атомных установок ВВЭР-1000 (рис. 1) имеется около 11 тысяч отверстий диаметром Ø16,25+0,17 мм.

Рис.1 Коллектор парогенератора ВВЭР-1000

Для более надежного и плотного крепления узла «труба-коллектор» («труба-трубная доска») конструкции некоторых отверстий нарезают специальные канавки глубиной 0,2…0,55 мм.

Обработка поверхностей в глубоких отверстиях в парогенераторах атомных реакторов в большинстве случаев осуществляется на станках типа 2BW500-3-1000, HTB III WE, 2805П, 2801П, ОВС8.3.3960 и ОС.0000.4037 и т.д.

Формирование глубоких отверстий и поверхностного слоя осуществляется разными способами. При этом сверление глубоких отверстий осуществляется:

1. сверлами одностороннего резания (ружейными) с подводом СОЖ под давлением по внутреннему каналу инструмента и отводом стружки по наружному каналу;
2. сверление инструментом одностороннего и двухстороннего резания (типа BTA) с наружным подводом СОЖ и отводом стружки по внутреннему каналу сверла;
3. сверление сверлами одностороннего и двухстороннего резания с внутренним эжекторным отводом стружки.

Обработка канавок и фасок (с углом 30°, 45° и радиусных) производится специальным инструментом с напайными и сменными твердосплавными пластинками.

Анализ патентных и литературных источников [1-38] показал, что существуют разные методы и способы, предназначенные для формообразования поверхностей в глубоких отверстиях.

При изготовлении коллекторов и трубных досок парогенераторов АЭС применяются углеродистые, высоколегированные, коррозионностойкие и специальные стали: 10ГН2МФА, 08Х18Н10Т-ВД, 09Г2С, 22К-Ш, 10Х2М-ВД, ХН35ВТ-ВД, 20Х1М1Ф1Т.

Данные виды материалов хорошо подходят для изготовления сварных конструкций, работающих в средах высокой агрессивности, обладают повышенной сопротивляемостью межкристаллитной коррозии.

Способ обработки глубоких отверстий может в большом диапазоне изменять состояние их поверхностного слоя (шероховатость поверхности, степень и глубину пластических деформаций и др.).

Для выбора оптимальной технологии обработки глубоких отверстий в парогенераторах атомных реакторов были осуществлены комплексные исследования воздействия способов формообразования и технологических факторов на шероховатость поверхностного слоя. Эксперименты проводились в заводских условиях на кольце из стали 08Х18Н10Т-BД.

Обобщенные результаты экспериментов о влиянии разных способов обработки поверхностей в глубоких отверстиях на показатель шероховатости приведены на рис. 2.

Заметим, что при всех методах обработки шероховатость поверхности имеет большой разброс по значениям. Наименьшая шероховатость и разброс наблюдается при сверлении методом BTA (Rа = 0,2…0,7 мкм), при вибрационном сверлении (Rа = 0,3…1,2 мкм).

Рис. 2 Шероховатость поверхности при различных методах обработки глубоких отверстий: 1- Сверление ружейными сверлами; 2- Сверление + зенкерование; 3- Сверление + зенкерование + развертывание; 4- Сверление + развертывание; 5- Сверление по методу BTA; 6- Вибрационное сверление

НИР поддерживается Федеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».