CC BY
80
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621.822.5:001.812:658.512
И. И. Артемов, В. Я. Савицкий, А. А. Семенов, М. Д. Павленко
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИТЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОСМАЗЫВАЮЩИХСЯ ТОНКОСТЕННЫХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ
Аннотация. Существующие технологические процессы изготовления тонкостенных подшипников скольжения характеризуются низкой эффективностью. Решение проблемы видится в применении прогрессивных, металлосберегающих способов обработки. На примере изготовления самосмазывающихся тонкостенных подшипников скольжения предлагается методика моделирования технологических операций формирования их рабочих поверхностей в системах автоматизированного инженерного анализа SolidWorks и ANSYS, а также новый технологический процесс.
Ключевые слова: самосмазывающийся тонкостенный подшипник скольжения, моделирование технологических операций, поверхностное пластическое деформирование, технологическая оснастка.
Abstract. Existing technological processes of manufacturing of thin-walled sliding bearings are characterized by low efficiency. The solution of the problem is in application of progressive, metal saving ways of processing. By the example of manufacturing of self-greased thin-walled bearings the authors suggest the technique of modeling of technological operations of working surfaces formation in SolidWorks and ANSYS systems of automated engineering analysis and also a new technological process.
Key words: self-greased thin-walled sliding bearing , modeling of technological operations, superficial plastic deformation (SPD), industrial equipment.
Введение
Актуальной задачей современного машиностроения является обеспечение высокой износостойкости деталей машин, которая в существенной мере определяется качественным состоянием поверхностного слоя [1-3]. Именно от качества обработки во многом зависят важнейшие показатели машин и их элементов - работоспособность, надежность, металлоемкость, себестоимость и др. Разработан ряд методов, обеспечивающих улучшение состояния поверхностного слоя, к числу которых относится метод поверхностного пластического деформирования (ППД). Суть метода заключается в обработке деталей давлением, при которой пластически деформируется только их поверхностный слой. Для реализации данного метода применяется инструмент, деформирующие элементы которого (шарики, ролики и другие инденторы) взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью по схемам качения, скольжения или внедрения. При ППД в результате деформационного упрочнения поверхностного
слоя возникают сжимающие остаточные напряжения, сглаживаются микронеровности, формируется заданный профиль, повышается износостойкость.
Существующая практика освоения новых технологических методов во многом носит эмпирический характер, что приводит к затягиванию сроков их внедрения в серийное производство, неоправданным материальным и финансовым затратам на освоение производства, отсутствию научно обоснованной информации о поведении конструкционных материалов в ходе механической обработки, невозможности автоматизированного создания баз данных, хранения и обмена информацией между заинтересованными участниками стадий жизненного цикла изделий. Цель данной работы состояла в создании методики компьютерного моделирования с использованием систем автоматизированного инженерного анализа SolidWorks и ANSYS физических процессов, протекающих при формировании рабочей поверхности самосмазывающихся тонкостенных подшипников скольжения (СТПС) из латунной ленты марки ЛАЖМц 57-3-2-1Ц с применением ППД, а также в разработке прогрессивного технологического процесса изготовления СТПС способом навивки.
1. Методика моделирования физических процессов формирования рабочей поверхности СТПС
Толщина латунной ленты-заготовки выбрана 2 мм, ширина - 30 мм. Моделированию предшествует создание эскиза, а затем 3,0-модели ленты и ролика. После формирования твердотельных моделей назначается материал, соответствующий требуемым физико-механическим характеристикам. Чтобы выбрать материал детали, в дереве конструирования (Feature Manager) нужно открыть подменю «Материал», указать «Редактировать материал» и в открывшемся окне материалов SolidWorks выбрать необходимый материал. Например, для пластины - Латунь ЛАЖМц 57-3-2-1Ц. Аналогичным образом формируются остальные детали, входящие в состав сборки.
Затем из имеющихся деталей собирается 3,0-сборка. Для этого необходимо создать новый документ «Сборка» и в появившемся окне менеджера свойств (Property Manager) выбрать компоненты (детали), созданные ранее для образования сборки. При этом первая деталь, занесенная в сборку автоматически, становится зафиксированной, т.е. ее невозможно будет перемещать. Чтобы выбрать условия соединения деталей в сборку, на панели инструментов выбирается функция «Условия сопряжения», и в появившемся окне указываем по одной необходимой грани на каждой из двух деталей, сопряжение которых необходимо указать. После выбора граней следует указание типа их сопряжения, что отражено на рис. 1,а. При указании сопряжений цилиндрических граней добавляется условие концентричности (совпадение центров цилиндрических граней). После создания сборки необходимо перейти к исследованию конструкции - определению напряженно-деформированного состояния (НДС) обрабатываемой ленты. Для этого активизируется приложение Simulation с помощью команд «Инструменты - Добавления - Simula-tion». На вкладке «Менеджер свойств (Property Manager)» выбирается «Статический анализ (Static)» для исследования напряжений, перемещений, нагрузок и запаса прочности деталей (рис. 1,б).
Для выбора зафиксированных граней деталей на вкладке «Крепление» активируется «Зафиксированная геометрия» и указываются грани, которые при расчете будут считаться неподвижными (рис. 2,а).
Q^SOlldWOlkS g —Прим Ваша ^стручеиты SwjIiw Toatoox Оно Спрша J t
^ И £ й-' - ^ 0 ii
Сборка^» аспопожсннс | Эскиз | ^алмзхродать | ПродуктыOftce | Swnuiation |
✓ X А
т
jfi I 'раж><3>#Пяунмр|
в-------------------
/< СМПЫЯ**
|^| n*p*m»iw«XTfc j_ Перпеид^улвриость
| К зсатг гъмостъ
(О] Кс»«1ентс***«сть ifl j 3a6no»t>oMTb
И
Ь)
$ Сборка! (Поуио/ма»«о<С...
I J-J-*
j-v-ел-в-
а)
SoMWorks Simulation
SoMWorki SamJabon
O:\Program N«\5oMWo»ks Соф L \SoMWorks Smiabon\cosworks.di
Добавления В
Актив»** Добавления |3«w |a 1
| = Приложения SobdWorfct Office Premium |
п% 30 w etefte □
□ 9 GrCUtWorks □
[ ] e0raiwngs2009 П
□ J^FeatureWorks □
□ 0 PhotoWorks □
□ HscenTo» □
П -C* SoldWorks Design Checker □
0 Cp SoldWorks Motion 0
□ SoldWorks Routing □
{ Г % SddWorks Snuiation □
□ SoldWorks Toofco. □
□ if SoldWorks Toofcox Browser □
□ SddWorks utibes □
□ SoldWorks Workgroup POM 2009 □
n£l TolAnalyst D
- Припожси^ч SoliilWor Ьч
□ Autotrace □
П SoldWorks 20 Emulator □
□ SoldWorks MTS □
П SddWorks XPS driver □ *
| <Ж | [ Отиеиа □ J
Рис. 1. Формирование 3 .D-сборки: а - указание типа сопряжений деталей; б - активация Simulation и выбор исследования
Зафиксированные грани маркируются характерными зелеными стрелками. Для ввода нагрузок необходимо открыть всплывающее окно «Внешние нагрузки» и поочередно указать необходимые силы, давления, температуры, действующие на определенные грани деталей. Применительно к рассматриваемому примеру указывался крутящий момент, действующий на ролик, и продольное перемещение вдоль ленты (рис. 2,б). Для обеспечения условий ППД давление ролика на латунную ленту-заготовку превышало 1350 МПа.
б)
Рис. 2. Моделирование ППД: а - выбор крепления; б - ввод нагрузок на ролик и ленту
Используя программный пакет Workbench, переносим созданную модель сборки в ANSYS.
Для оптимизации расчетов и сокращения времени анализа, выделим небольшую область контактирования ролика (сталь 45) с лентой. Расчеты будут применимы и ко всей сборке. Затем необходимо установить тип контакта ролика и пластины и задать свойства их взаимодействия.
Латунная лента неподвижно зафиксирована на столе. Ролику задается угловая скорость и давление. После этого программа разбивает полученную модель на элементарные элементы. На рис. 3 показано создание сетки конечных элементов. В зоне контакта необходимо сгустить сетку для более точных расчетов, так как интересующие процессы будут происходить лишь в области взаимодействия. Это существенно повлияет на скорость анализа и повысит точность результатов. После создания сетки конечных элементов проводится анализ элементов.
Характер деформаций и напряжений, возникающих в латунной ленте, представлен на рис. 4, 5.
По эпюре общей деформации, представленной на рис. 6, можно судить о влиянии деформирования не только в зоне непосредственного контакта, но и о поведении всей структуры металла.
Рис. 3. Создание сетки конечных элементов
Рис. 4. Эпюра деформации латунной ленты
На основании проведенного анализа можно судить о давлении на ролик, необходимом для образования запланированной геометрии поверхностного слоя латунной ленты. Сделан вывод о том, что разрушение модели ленты произойдет при давлении выше 1725 МПа.
2. Разработка основных операций технологического процесса изготовления СТПС намоткой
В общем виде технологический процесс включает заготовительную операцию, ППД, заполнение полученного профиля твердым смазочным материалом (ТСМ), навивку латунной ленты на оправку, разрезание полученной заготовки-трубки на СТПС заданной длины.
Рис. 5. Эпюра напряжений латунной ленты
Рис. 6. Эпюра деформаций по ширине ленты
При изготовлении СТПС предложено использовать латунный прокат. Холоднокатаная латунная лента изготавливается из двухкомпонентного сплава на основе меди, в котором легирующим элементом выступает цинк (его содержание варьируется в диапазоне от 5 до 36 %). Длина латунной ленты не регламентируется, толщина варьируется в диапазоне от 0,08 до 3 мм, а ширина от 10 до 600 мм. Точные данные сортамента латунных лент определены ГОСТ 2208-91. Для удобства транспортировки и дальнейшей переработки латунную ленту скатывают в рулоны на барабаны.
Так как латунная лента обладает высокой пластичностью, то она делится на несколько видов ее состояния:
- по твердости: мягкие (М); полутвердые (П); твердые (Т); особо твердые (О); пружинно-твердые (Ж);
- по точности изготовления: нормальной точности по ширине-толщине (Н); нормальной по ширине и повышенной по толщине (И); повышенной по ширине и нормальной по толщине (К); повышенной по ширине-толщине (П); высокой по толщине (В).
Если систематизировать холоднодеформированные ленты из латуни, то по общему назначению ленты маркируются как ЛМц58-2, ЛС59-1, Л63, Л68, Л80, Л85, Л90; латунная лента Л68 - для производства капсюлей; ленты латунные радиаторные Л63, Л90 - для производства охлаждающих радиаторных трубок и пластин.
При отработке технологического процесса изготовления СТПС использовалась латунная лента марки ЛАЖМц 57-3-2-1Ц. Добавление в латунь алюминия позволяет улучшить стойкость сплава к атмосферной коррозии, введение в латунь железа улучшает прочностные характеристики сплава.
При формировании профиля рабочей поверхности ленты под ТСМ ее свободный конец закрепляется на столе станка и неоднократно прокатывается роликом (рис. 7, 8) под давлением, образуя канавки глубиной 0,3...0,4 мм. Величина усилия воздействия ролика на ленту контролируется по градуировочной шкале приспособления для накатывания.
Рис. 7. Схема формирования канавок под ТСМ
Рис. 8. Приспособление для накатывания роликом: 1 - ролик; 2 - вилка; 3 - корпус; 4 - пружина
После получения необходимого профиля канавки заполняются ТСМ, после полимеризации которого лентообразная заготовка навивается на ци-
линдрическую оправку. При этом лента поверхностью с канавками смазки прижимается к поверхности оправки. При навивке необходимо использовать натягивающие и прижимающие устройства. После навивки ленты на оправку необходимо обеспечить фиксацию полученной заготовки.
На заключительной стадии, не снимая лентообразную заготовку с оправки, на нее либо напрессовывают, либо сажают на анаэробный материал сопряженную деталь, например сателлиты межколесного дифференциала (рис. 9), и отрезают их в заданный размер.
5 3 6 7 8 9
Рис. 9. Устройство межколесного дифференциала автомобиля УРАЛ-4320:
1 - правая чашка дифференциала; 2, 5 - опорная шайба сателлита; 3 - сателлит;
4 - тонкостенный подшипник скольжения; 6 - коническая шестерня полуоси;
7 - опорная шайба шестерни полуоси; 8 - ведомая шестерня редуктора;
9 - левая чашка дифференциала; 10 - крестовина дифференциала
Принципиальные схемы реализации операций предлагаемого технологического процесса представлены на рис. 10.
Рис. 10. Линия формирования рабочей поверхности ленты
Латунная лента с бухты А через подающие ролики поступает на стол накатки. Лента удерживается двумя пружинными прижимными устройствами. Процесс накатки канавок под ТСМ целесообразно осуществлять по одной траектории, поэтому применяется многогребневый ролик. Подготовленная лента перематывается на другую бухту Б. Заполнение канавок ТСМ целесообразно проводить в вертикальной литьевой машине с помощью пресс-формы, у которой литниковая система обеспечивает одновременную заливку всех канавок.
На следующей стадии технологического процесса бухта Б закрепляется в подающем механизме (рис. 11).
Рис. 11. Подающий механизм
Для осуществления процесса навивки применяется специальная оправка (рис. 12). Оправка имеет паз, необходимый для закрепления ленты, резьбовое отверстие под винт, фиксирующий конец ленты в оправке, заходную часть, служащую для корректировки угла навивки ленты, а также две кольцевые проточки.
ПропШШШ
РезьВойое отйерстиЩ /
Зпходнпя часть
Рис. 12. Оправка
Процесс навивки происходит следующим образом. В исходном положении оправка закрепляется в патроне токарного станка, съемник - в резцедержателе. При установке съемника предъявляются особые требования к соосности отверстия в съемнике и оси вращения оправки. Лента с подающего механизма закрепляется в паз оправки и фиксируется винтом. Навивка ленты на стальную оправку производится на минимальных оборотах токарного станка (рис. 13).
Рис. 13. Намотка ленты
После посадки одним из указанных способов сателлитов на лентообразную заготовку полученные сборки отрезаются в размер (рис. 14).
1
Рис. 14. Отрезание СТПС сателлитов
Заключение
Эффективность предлагаемого подхода определяется возможностью автоматизации проектирования технологического процесса, механизации операций изготовления, широким спектром варьирования размерами СТПС, высоким коэффициентом использования металла, простотой технологической
оснастки. Реализация технологического процесса возможна на любом машиностроительном предприятии.
Список литературы
1. Савицкий, В. Я. Ремонт ракетно-артиллерийского вооружения : учебник / В. Я. Савицкий. - Пенза : ПАИИ, 2004. - 398 с.
2. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием : справочник / Л. Г. Одинцов. - М. : Машиностроение, 1987. -328 с.
3. Шнейдер, Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом / Ю. Г. Шнейдер. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л. : Машиностроение, Ле-нингр. отд-ние, 1988. - 248 с.
Артемов Игорь Иосифович
доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе и инновационной деятельности, Пензенский государственный университет
E-mail: rectorat@pnzgu.ru
Artyomov Igor Iosifovich Doctor of engineering sciences, professor, vice rector for research and innovative activity, Penza State University
Савицкий Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор, кафедра общепрофессиональных дисциплин, филиал Военного учебнонаучного центра сухопутных войск (г. Пенза)
E-mail: W.savis@gmail.com.
Семенов Александр Алексеевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент, кафедра транспортных машин, Пензенский государственный университет
E-mail: al11091952@yandex.ru
Павленко Михаил Дмитриевич
аспирант, Пензенский государственный университет
E-mail: Vedmed87@inbox.ru
Savitsky Vladimir Yakovlevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of interprofessional disciplines, branch of the Military Scientific Educational Center of the Ground Forces (Penza)
Semyonov Alexander Alekseevich Candidate of engineering sciences, senior staff scientist, associate professor, sub-department of transport machines, Penza State University
Pavlenko Mikhail Dmitrievich
Postgraduate student,
Penza State University
УДК 621.822.5:001.812:658.512 Артемов, И. И.
Автоматизация разработки технологического процесса изготовления самосмазывающихся тонкостенных подшипников скольжения /
И. И. Артемов, В. Я. Савицкий, А. А. Семенов, М. Д. Павленко // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. -№ 2 (22). - С. 106-116.
