Обработка заготовок деталей машин

Допущено
Министерством образования
Республики Беларусь
в  качестве учебного пособия
для  студентов учреждений
высшего образования 
по машиностроительным специальностям

Минск
«Вышэйшая  школа»
2014

Îáðàáîòêà
çàãîòîâîê
äåòàëåé ìàøèí

Под редакцией  Ж.А. Мрочека

УДК [621.9+621.793]-412(075.8)
ББК 34.51я73
 
О-23

А в т о р ы: А.В. Миранович, Д.Л. Кожуро, Ж.А. Мрочек, О.Г. Девойно

Р е ц е н з е н т ы: кафедра материаловедения и технологии металлов 
учреж дения образования «Белорусский государственный технологический 
университет» (профессор, доктор технических наук Н.А. Свидунович); главный научный сотрудник Государственного научного учреждения «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси» профессор, доктор технических наук В.Е. Антонюк

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 
любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-2490-1 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2014

ПРЕДИСЛОВИЕ

Устойчивое развитие экономики страны требует решения 
проблемы рационального ресурсопотребления для повышения 
конкурентоспособности продукции, снижения издержек производства, освоения новых рынков. Как известно, к экономическим ресурсам принято относить трудовые, энергетические 
и материально-сырьевые. В структуре затрат промышленности республики на их долю приходится 80–90% всех расходов, 
причем наибольший удельный вес имеют материально-сырьевые и энергетические.
Для повышения конкурентоспособности изделий сельскохозяй ственного машиностроения необходимо в первую очередь 
повышать их надежность и долговечность технологическими 
методами. Высокие качественные характеристики изделий 
во многом зависят от финишных операций обработки деталей, 
которые в основном формируют физико-механические свойства 
их поверхностного слоя и показатели точности, оказывающие 
решающее влияние на их эксплуатационные параметры.
Расширение объема финишных операций за счет применения размерно-чистовой и упрочняющей обработки, осуществляемой на металлорежущих станках без снятия стружки посредством поверхностного пластического деформирования 
(ППД), позволяет снизить трудовые, энергетические и материально-сырьевые затраты. Преимущество ППД перед традиционными способами финишных операций, осуществляемых, как 
правило, абразивными инструментами, заключается в его высокой производительности при достижении без особых затруднений шероховатости поверхности до Ra = 0,025 мкм 
и точности обработки до 6-го квалитета. При этом обработка 
ППД сопровождается упрочнением поверхностного слоя деталей, что значительно повышает их эксплуатационные свойства: износостойкость, усталостную прочность, контактную 
выносливость, коррозионную стойкость и т.д. Способами 
ППД во многих случаях можно успешно заменять такие операции отделочной обработки, как хонингование, суперфиниширование, доводка.
Важный фактор эффективности производства и сокращения длительности производственного цикла – совмещение отдельных процессов обработки. Одним из таких прогрессив

ных способов является одновременная обработка резанием 
под накатывание и само накатывание с помощью комбинированных инструментов.
В пособии изложены прогрессивные методы обработки заготовок деталей сельскохозяйственной техники, включая обработку ППД и комбинированную, а также магнитно-абразивную обработку и электромагнитную наплавку, обеспечивающие повышение качества деталей и машин в целом, а также 
ресурсо- и энергосбережение.
Представленный материал соответствует программе учебной дисциплины «Технология сельскохозяйственного машиностроения» и в основном отражает результаты исследований, 
выполненных в Белорусском государственном аграрном техническом университете и Белорусском национальном техническом университете.
Авторы выражают благодарность профессорам, докторам 
технических наук В.Е. Антонюку и Н.А. Свидуновичу за ценные замечания и советы, способствовавшие улучшению качества издания.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

БД
ЗТВ
ЗНП
ИП
ИТТ
МАО
МП
МРСА
МС
ПМ
ПН
ППД
РЖ
РСА
РФА
ФМП
ЦКРУП

ЦКОП
ЭМ
ЭМК
ЭМН

–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–

–
–
–
–

бункер-дозатор
зона термического влияния
зона наплавленного покрытия
источник питания
источник технологического тока
магнитно-абразивная обработка
магнитное поле
микрорентгеноспектральный анализ
магнитная система
постоянный магнит
полюсный наконечник
поверхностно-пластическое деформирование
рабочая жидкость
рентгеноструктурный анализ
рентгенофазовый анализ
ферромагнитный порошок
центральный композиционный ротатабельный униформплан
центральный композиционный ортогональный план
электрический магнит
электромагнитная катушка
электромагнитная наплавка
В
–
индукция магнитного поля, Тл
Bmax
–
максимальное значение магнитной индукции, Тл
Вr
–
значение остаточной магнитной индукции, Тл
Вd
–
значение магнитной индукции, соответствующей точке (ВН)max кривой размагничивания постоянного магнита, Тл
Вм
–
магнитная индукция постоянного магнита, Тл 
Вз
–
магнитная индукция в рабочем зазоре, Тл
Hc
–
коэрцитивная сила, кА/м
Нd
–
напряженность, соответствующая точке (ВН)max кривой размагничивания постоянного магнита, А/м
(ВН/2)max
–
максимальная удельная магнитная энергия, кДж/м3

n
–
число зерен в цепочке
ai, bi
–
размеры большой и малой осей эл липсоида, м
Kп
–
магнитная восприимчивость материала порошка, Гн/м

t
–
текущее время, с
tп
–
толщина наносимого покрытия, мм
tp
–
относительная опорная длина профиля шероховатости 
поверхности, %
Нi
–
напряженность магнитного поля у верхней границы 
зерна, А/м
Li
–
расстояние от границы i-го зерна до оси упрочняемой 
поверхности, м
μп
–
магнитная проницаемость материала ферропорошка, Гн/м
μв
–
относительная магнитная проницаемость воздушного 
участка, Гн/м
μст
–
относительная магнитная проницаемость стали, Гн/м
μ0
–
магнитная постоянная, Гн/м
Iк
–
сила тока в электромагнитной катушке, А
S
–
скорость подачи, мм/об
Gδ
–
проводимость технологического и рабочего зазоров, м
Gа
–
проводимость отдельных участков арматуры, м
Gм
–
полная проводимость воздушных путей магнита, м
Lм
–
длина постоянного магнита, мм
Вм
–
ширина постоянного магнита, мм
Lз
–
длина обрабатываемой заготовки, мм
Lн.п
–
длина полюсных наконечников, мм
Sм
–
площадь нейтрального сечения постоянного магнита, мм2

Δр
–
величина рабочего зазора, м
∆п
–
величина технологического зазора в магнитной системе, мм
∆Вз
–
изменение индукции, вызванное изменением температуры на Δt, Тл
∆t
–
изменение температуры, °С
Q
–
производительность процесса ЭМН (приращение массы покрытия), г
εп
–
относительная износостойкость покрытия
iр
–
плотность технологического (разрядного) тока, А/мм2

V
–
окружная скорость заготовки, м/с
q
–
расход композиционного порошка, г/с · мм2

Rа
–
шероховатость поверхности, мкм
zв
–
количество витков проволоки в катушке

Фп
–
полезный магнитный поток, Вб
Фy 1
–
магнитный поток утечки с боковых и торцовых поверхностей полюсных наконечиков, Вб
Фy 2
–
магнитный поток утечки с кольцевых поверхностей 
постоянных магнитов, Вб
Фy 3 
–
магнитный поток утечки с боковых поверхностей постоянных магнитов, Вб
Фк
–
кольцевой магнитный поток утечки, Вб
γв
–
температурный коэффициент магнитной системы, %/1 °С
П
–
пористость покрытия, %
Iр
–
сила технологического (разрядного) тока, А
Iн
–
сила технологического тока наплавки, А
r
–
средний радиус закругления вершин выступов шероховатости поверхности, мкм
Hв
–
средняя высота неровностей волнистости, мкм
Hг
–
средняя высота неровностей гранности, мкм
О
–
средняя овальность, мкм
nд
–
частота вращения заготовки детали, об/мин
nн.п
–
частота вращения полюсного наконечника, об/мин
nр
–
частота вращения электрода-инструмента (ролика), 
об/мин
nш
–
частота вращения шлифовального круга, об/мин
nн
–
частота вращения направляющего ролика, об/мин
nп
–
частота вращения прижимного ролика, об/мин
Pп
–
усилие поверхностного пластического деформирования покрытия, Н

1. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ 
ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ 
ДЕФОРМИРОВАНИЕМ

1.1. Физические явления в поверхностном
слое материала детали

В последнее время в машиностроении наметилась тенденция широкого освоения технологии производства деталей машин, обработанных поверхностным пластическим деформированием. К преимуществам ППД по сравнению с об работкой 
металлов резанием относятся:
 
высокая производительность и экономичность;
 
возможность получения малой высоты шероховатости 
поверхности (до Ra = 0,1…0,025 мкм для стали и цветных металлов и Ra = 0,4…0,2 мкм для чугуна);
 
обеспечение высокой точности обработки (5-го и 6-го 
квалитетов);
 
сохранение целости волокон металла на обработанной 
поверх ности;
 
отсутствие процесса шаржирования частицами абразива 
обработанной поверхности;
 
высокая стойкость и сравнительная простота изготовления 
инструмента;
 
стабильность и несложность осуществления процесса обработки.
Обработка поверхностей ППД сопровождается упрочнением по верхностного слоя – увеличением его твердости и созданием в нем благо приятных остаточных напряжений сжатия. 
Получение минимальной шероховатости обработанной поверхности в сочетании с повышением ее твердости и наличием сжимающих остаточных напряжений значительно повышает пределы упругости, текучести, прочности, что способствует 
повышению эксплуатационных свойств деталей машин.
Для обработки поверхностей ППД существует несколько 
способов, основанных на различных схемах деформирования 
металла в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью и разработано большое количество конструкций, 
имеющих различные связи между деформирующими элементами и поверхностью обработки.
По принципу взаимодействия деформирующего элемента 
и обра батываемой поверхности ППД подразделяется на четы

ре вида. К первым трем видам относятся процессы взаимодействия деформирующего элемента и обрабатываемой поверхности, которые осуществляются в первом случае путем трения 
качения, во втором – путем трения скольжения, в третьем – 
инструментом, использующим динамическую силу удара деформирующего элемента. К четвертому виду относятся процессы обработки торовым накатным роликом, ось вращения 
которого расположена по отношению к обрабатываемой поверхности под двумя углами, что приводит к проскальзыванию катящегося по ней ролика (ротационная обработка с проскальзыванием).
Суть обработки ППД состоит в том, что под давлением 
деформи рующего элемента (ролика, шарика, алмазного выглаживателя и т.д.), твердость которого значительно больше твердости обрабатываемого металла, выступающие микрогребешки исходной поверхности пластически деформируются (сминаются) и шероховатость обработанной поверхности уменьшается.
Обработка деталей ППД сопровождается появлением 
в поверхно стном слое остаточных напряжений сжатия. Они 
возникают и урав новешиваются в макрообъемах обрабатываемой заготовки детали.
На величину и глубину расположения остаточных напряжений зна чительное влияние оказывают структура и свойства 
обрабатываемого металла. У закаленных деталей с мартенситной структурой после ППД остаточные напряжения значительно выше (при том же усилии деформирования), чем у незакаленных. При наличии в поверхностном слое после закалки структуры остаточного аустенита обработка ППД приводит 
к его частичному распаду и превращению в мартенсит. Это 
превращение сопровождается увеличением удельного объема, 
что способствует возникновению сжимающих остаточных напряжений. Кроме того, у некоторых сталей наблюдается выпадение карбидной фазы, а исходная структура мартенсита измельчается, превращаясь в мелкоигольчатый мартенсит.
Таким образом, ППД упрочняет обрабатываемую поверхность детали вследствие изменения физико-механических 
свойств металла и формирования в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия. Кроме того, качество поверхности улучшается за счет уменьшения высоты микронеровностей, имеющих скругленную вытянутую форму, что увеличивает площадь контакта сопряженной пары.