CC BY
114
Таблица 1 - Структурные и механические свойства режущего инструмента с износостойкими покрытиями на основе нитрида
титана
Покрытие Содержание легирующего элемента, %, масс. а, нм Р111, град. °<ь МПа Нм, ГПа Ко
TiN - 0,4235 0,49 -775 29,16 1,07
TiZrN 15,63 0,4293 0,55 -1256 38,65 1,32
TiAIN 17,55 0,4230 0,57 -902 38,39 0,91
TiMoN 13,99 0,4251 0,53 -1073 34,92 1,93
TiCrN 21,70 0,4224 0,60 -1490 34,52 1,46
TiFeN 0,85 0,4234 0,51 -697 33,20 0,82
TiSiN 1,25 0,4256 0,60 -1069 36,45 1,49
Все соединения характеризуются высокой твёрдостью и высокими температурами плавления, причём высокую температуру плавления имеют соединения с простой кубической структурой типа NaCl: TiC, ZrC, HfC, TiN, ZrN, HfN, VC, NbC, TaC, т.е. для них хорошо выдерживается «правило 15%» Юм-Розери, согласно которому образование твёрдых растворов возможно лишь в тех случаях, когда максимальная разность атомных радиусов не превышает 15 %.
Выделяют возможные пары образования карбид-карбид: TiC-ZrC; ZrC-TaC; TiC-TaC; TiC-HfC; TiC-NbC; VC-TaC; VC-TaC.
Пары нитрид-нитрид: TiN-ZrN; ZrN-HfN; TaN-CrN; ZrN-NbN; TiN-NbN; VN-NbN.
Пары карбид-нитрид: TiC-TiN; VC-NbN; ZrC-ZrN; TiC-NbN; VC-VN; ZrC-NbN.
Карбиды и нитриды, имеют широкие области гомогенности, что позволяет в зависимости от содержания кислорода, азота и углерода достаточно сильно изменять их физико-механические свойства. Последнее обстоятельство очень важно с точки зрения возможности варьирования свойствами покрытий в зависимости от условий применения. Это обеспечивает возможность регулирования свойств в широких пределах.
Оптимизацию свойств материалов покрытий можно осуществлять получением многофазных и многослойных покрытий. Для многофазных материалов и тем более для многослойных покрытий большое значение имеет характер взаимодействия фаз на границах раздела (фаз, слоёв). Исследования компактных материалов позволяют выделить, по крайней мере, три вида поверхностей раздела:
• согласованные (когерентные) или частично согласованные на уровне кристаллических решёток поверхности;
• поверхности раздела с “переходной” (перемешанной зоной);
• свободные не (или слабо) взаимодействующие друг с другом поверхности.
Металлоподобные твёрдые материалы, как правило, образуют согласованные или полусогласованные поверхности раздела с металлами и другими металлическими материалами. Так, карбиды и нитриды переходных металлов с диборидами переходных металлов образуют согласованные поверхности раздела с низкой энергией. Примером могут служить многослойные и двухфазные покрытия TiC/TiB2, обладающие более высокой износостойкостью, чем однофазные.
Преимущества газопламенного нанесения покрытий [3] состоят в высокой производительности процесса, локальности обработки, незначительном влиянии на подложку, возможность нанесения покрытий на изделия больших размеров, отсутствии ограничений на сочетания материалов покрытия и подложки, что позволяет охватывать большую номенклатуру упрочняемых деталей, низкий излучений, мобильность оборудования, простота его обслуживания. Этот способ позволяет без особых технологических трудностей получать покрытие с пределом прочности на отрыв не менее 55 кг/мм2 при отсутствии перемешивания с металлом основы. Следует также отметить, что газопламенное напыление позволяет получать покрытия с эффектом самозатачивания [5, 6], что особенно актуально при упрочнении режущего инструмента.
Литература
1. Бобровский Н.М., Мельников П.А., Бобровский И.Н., Ежелев А.В. Гиперпроизводительный способ обработки поверхностно-пластическим деформированием // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. С. 67.
2. Газотермическое напыление композиционных порошков / А. Я. Кулик [и др.] - Л.: Машиностроение, 1985. - 199 с.
3. Гончаров В.С., Васильев Е.В. Упрочнение длинномерных протяжек в ионно-плазменных установках типа ННВ-6.6-И1 // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 6 (102). С. 3-6.
4. Гончаров В.С., Мельников П.А., Попов А.Н., Васильев Е.В. Упрочнение лезвийного инструмента с созданием эффекта самозатачивания // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 4-1. С. 233-235.
5. Гончаров В.С., Мельников П.А., Попов А.Н., Васильев Е.В. Упрочняющее покрытие с эффектом самозатачивания // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2013. № 1 (23). С. 101-103.
6. Конструкционные материалы: Справочник / Под ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.
Абызов А.П.1, Ступко В.Б.2, Калинкин А.К.3, Ловкова В.А.4
'Кандидат технических наук, профессор, 2кандидат технических наук, доцент, Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета, 3старший преподаватель, 4старший преподаватель, Альметьевский государственный
нефтяной институт.
ЭФФЕКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ
Аннотация
В статье рассмотрена методика расчёта технологических размерных цепей, позволяющая существенно сократить трудоемкость расчетов, устранить необходимость подбора расчетным путем номинальных размеров припуска и дающая возможность простой реализации расчетов с использованием компьютерной техники.
Ключевые слова: размерный анализ, припуск, технологические размеры.
48
Abyzov A.P. \ Stupko V.B. 2, Kalinkin A.K.3, Lovkova V.A.4
'PhD in Engineering, professor, 2PhD in Engineering, associate Professor, Branch of Kazan Federal University in Naberezhnye Chelny,
3a senior teacher, 4a senior teacher, Almetyevsk State Oil Institute CALCULATION OF TECHNOLOGICAL DIMENSIONAL CHAINS
Abstract
In the article the technique of calculation of technological dimensional chains, which allows to reduce the complexity of the calculations, eliminate the need_ for selection by calculation of nominal sizes of the allowance and enabling simple realization of calculations with the use of computer equipment.
Keywords: dimensional analysis, allowance, technological dimensions.
Выполнение размерного анализа технологического процесса обработки позволяет определить номинальные и предельные технологические размеры, которые проставляются на операционных эскизах и обеспечивают требуемую точность получения размеров детали. Разновидности размерного анализа технологических процессов и обзор методов подробно представлен в [1, 2, 3].
Проведение размерного анализа необходимо при разработке технологического процесса изготовления детали, поскольку позволяет скорректировать ее чертеж, выполненным конструктором, на основе рациональности разработанного технологического процесса. Это исключает ситуацию внесения технологом исправлений в картах эскизов технологических процессов со слов наладчика после обработки пробных деталей.
Анализ метода расчета размеров. Известен пример расчета технологических размеров на основе существующей методики при обработке вала-шестерни [2].
На рис 1а. представлена размерная схема технологического процесса обработки торцевых поверхностей. На основе размерной схемы производится расчет искомых размеров - технологических S и заготовки З. (Рис. 1б).
При рассмотрении данной методики определения размеров заготовки можно отметить следующее:
- расчет ведется методом максимума-минимума, что приводит к неоправданно большим значениям наибольшего припуска Zimax, поскольку в его значение, определяемое как, Zimax = Zimin + (TAi_1 — TAf) входят допуски размеров заготовки (ХД;_1), которые для грубых степеней точности могут быть большими, а так же допуски технологических размеров ХД; на уровне 12-14 квалитетов точности;
- определять Z; тах на заготовке, формирующийся как сумма отдельных максимальных припусков в результате расчета многозвенных технологических цепей не корректно. Поскольку значение допусков входящих в формулы для определения промежуточных максимальных припусков зависят от выбранных методов обработки и, в большинстве случаев, зависят от состояния технологического оборудования. (Наибольший припуск, соответствующий физической природе обработки резанием на станках, определяется по соотношению Z; тах = Z; min +Ti_1 — Ti , где Тц , Т -допуски размеров обрабатываемой поверхности на предшествующем и данном переходе [3]. )
А
7 У A$_ /6
4* *,i
Ъ-
Z, ZeZK Zie Aj Z
Ъ— :i 1 ^ 315
L _ 2 3
4 6 6 7$ 10 111
5 S,a
4 S.
3
at
Si
2 S,
S,
1 ■У '
s,
0 3S
3,
4»
a,
Исходный размер Определяемые размеры
Обозна- чение Величина, мм Исходное уравнение Номинальный размер, мм Допуск, мм Технологический размер Предельное значение припуска
1 2 3 4 5 6 7
ОЛ“ 0,(11 ®0-0,06 А\ — S\o А ] = $ю = 60 0,03 п сл* 0,01 й10 - ьи-0.06 -
/44 170*0,15 Л4 = Sg At = S^ 170 0,30 $,= 170±0,15 -
0,05 —Z\ i — S2 + $4 = 0 Z\imm ~ ^4min ~ — $9пшх $4тн» ~ §9вшх Z\\nun ~ = 170,15 + 0,05 = = 170,2 $4=170,2+ 0,13 = = 170,33 0,26 $4= 170,33 ± ±0,13 Z„= 170,33 ±0,13- 170 ±0,15 = = 0,33 ± 0,28
А, 140*0,41 — А з + S& — $1+ + $9 = о Aj = 56 -.54,+5® S}= Ag + $4 — $з = = 140+ 170,33 5 - 170= 140,33 Ав^ = 0,41-0.13-0,15 = 0,13 AHs& = -0,41 + 0,13 + + 0,15 = -0,13 0,26 S5= 140,33 ± ±0,13
а б
Рис. 1. а - размерная схема технологического процесса обработки торцевых поверхностей вала-шестерни. А- конструкторские размеры, Z- величины припусков, З - размеры заготовок, S - технологические размеры; б - фрагменты таблицы расчета
технологических размеров [2, табл. 2.10].
В рассматриваемой методике предлагается варьировать величиной номинального припуска во избежание получения отрицательных значений минимального припуска и для того, чтобы уравнения размерных цепей были справедливы. Эта " подгонка" величины номинального припуска приводит к необходимости выполнять вариационные расчеты, увеличивает трудоемкость расчетов и, по сути, является не правильной.
Правильнее величину номинального припуска, необходимого для определения номинальных межоперационных размеров и размеров заготовки определять по выражению Z; = Z; min + eii_1 — ец, где eii_1, ец - нижние отклонения размеров соответственно на предшествующем и выполняемом переходах.
Численные соотношения между номинальными размерами заготовки кзаг (предполагая приближенное равенство технологического размера St после обработки номинальному - Д ) и детали 1дет, кзаг — Ьдет =£Z; , где f Zi - сумма номинальных припусков, по полученным авторами результатам не соблюдается (табл. 2.10 [2]).
Проведенные многочисленные практические расчеты по описанной методике [2] давали устойчиво завышенные величины номинальных наружных торцевых размеров штампованных заготовок в сравнении с номинальными размерами по чертежам.
Предлагаемая методика размерного анализа. Прежде всего, отметим, что размерный анализ технологического процесса обработки поверхностей резанием является эффективным инструментом, позволяющим на этапе проектирования операционной технологии назначить технологические размеры, которые следует проставлять в операционных эскизах и определить, при необходимости, номинальные размеры заготовок. Наиболее точным методом определения межоперационных размеров и припусков является известный расчетно-аналитический метод профессора В.М. Кована. Его применяют для определения величины припусков и технологических размеров для точных цилиндрических поверхностей.
Расстояния между торцевыми поверхностями деталей вращения обычно имеют точность средних или грубых квалитетов. Для ряда плоских поверхности корпусных или подобного типа деталей точность размеров между ними так же назначается в диапазоне грубых квалитетов, но в этом случае для ряда поверхностей выставляется жесткое требование обеспечения отклонений от
49
плоскостности или отклонений расположения. При размерном анализе технологического процесса обработки корпусных деталей со сменой баз расчет на основе теории графов наверняка позволит избежать ошибок.
Основные положения предлагаемой методики размерного анализа.
Величины минимальных припусков Z; min принимаются на основе ГОСТ 7505-89.
Величина номинального припуска, принимается равной величине минимального: Z; = Zimin [3], поскольку разность между eii-1 и ei i оказывается весьма не значительной по сравнению с Zi.
Общий номинальный припуск приводится в справочных таблицах и является основой расчета номинальных размеров заготовок по номинальным размерам поверхностей деталей. В таблицах также можно найти номинальные значения припуска при выполнении технологических переходов, например, черновое фрезерование, чистовое и т.д.
Величину наибольшего припуска Z; тах по переходам находить на основе размерных цепей совмещенного дерева совершенно не корректно, поскольку составляющих звеньев может оказаться четыре и более, а допуски этих звеньев могут быть большими (например, горячештампованная заготовка класса точности Т4, Т5. Причем в [2, табл. 2.10] для заготовки принята степень точности Т2, которую не всегда обеспечит производственное кузнечно-штамповочное оборудование). Поэтому величину наибольшего припуска по переходам не вычислять.
При необходимости величину наибольшего припуска определять по формуле Z; тах = Z; min +Ti_1 — Г;.
Отметим, что в расчетах межоперационных размеров и размеров заготовки табличным методом величиной Zi max не оперируют.
Проводить проверку допусков размеров поверхностей детали TAt > £ Г57 , где ТSi допуски увеличивающих и уменьшающих технологических размеров, образующих размерную цепь. Эта проверка гарантирует правильность назначения допусков на межоперационные размеры.
Следует отметить, что суммирование допусков составляющих звеньев целесообразно провести квадратичным способом, как для теоретико-вероятностного метода расчета размерных цепей.
Порядок расчета технологических размерных цепей по предлагаемой методике приведен в таблице (Рис.З).
Исходный размер Исходное уравнение Номинальный искомый размер Допуск Технологический размер Проверка
Обозна- чение Величина, мм
Ai 60-0,06 -Ai + S ю =0 S10 = Ai 0.05 Sio ^6Q_o.06 TAi = T Sio
Аа 170 ±0.05 -А-4 - Ss =0 Ss= а4 0,3 Ss=170 ±0.05 TA4 = T Ss
Zn 0.05 - Zn - Ss+S4=0 Si= Ss+Zn= =170+0.05=170.05 0.26 S4=170.05±0.13 -
Аз 140±0.41 -Аз + S5- S4+ S? —0 Ss = Аз + S4-Ss= =140+170.05-170= =140.05 0.26 S3=140.05+0.13 ТАз = T S4+ T Ss+ T Ss 0.82=0.26+0.26+0.3=0.82
Далее расчет выполняется в такой же последовательности аналогично [2, табл. 2.10]
Рис. 3. Таблица расчета технологических размеров по предлагаемой методике.
Многократные расчеты по предлагаемой методике показали хорошую, менее 0,5%, сходимость расчетных значений номинальных размеров торцевых поверхностей заготовок, полученных методом горячей объемной штамповки, с таковыми по чертежам заготовок, выполненных с использованием методики [2]. Однако авторы расчетов номинальных размеров с помощью теории графов [2,4,5,6] такое сопоставление не приводят, предполагая, что приведенная модель совершенна.
Сопоставление расчетов для номинальных размеров торцевых поверхностей поковок по приведенной методике [2] и предлагаемой показало расхождение, в сторону увеличения на 1-1,5% у первой. Возможно, это обусловлено указанными выше недостатками методики [2].
Еще одним преимуществом предлагаемой модели расчета является значительное снижение трудоемкости расчетов, устранение необходимости подбора расчетным путем номинальных размеров припуска и возможности простой реализации расчетов с использованием компьютерной техники.
Литература
1. Тарабарин О.И., Кострикина Д.В. Размерный анализ обработки резанием радиальных поверхностей деталей вращения." Проектирование и исследование технических систем" Межвузовский научный сборник. №11 июль -декабрь. ГОУ ВПО "Камская государственная инженерно-техническая академия" Набережные Челны 2007. 168с. (с.142-149).
2. Соколов В.О., Скрябин А.Г., Схиртладзе А.Г., Симанин Н.А. Сорокина Н.В., Репин А.С., Пименова О.В. Размерный анализ технологических процессов в автоматизированном производстве : учебное пособие / В.О. Соколов, В.А. Скрябин, А.Г. Схиртладзе [ и др.]. - Старый Оскол: ТНТ, 2009. - 220с.
3. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1/ Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. - 5-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение -1, 2001г. 912с., ил.
4. Солонин С.И., Солонин И.С. Расчет сборочных и технологических размерных цепей. - М.: Машиностроение, 1980. - 110с.
5. Размерный анализ технологических процессов обработки / И.Г. Фридлендер, В.А. Иванов, М.Ф. Барсуков и В.А. Слуцкер; Под. общ. ред. И.Г. Фридлендера. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 141с. ил.
6. Матвеев В.Н., Тарабарин О.И. Пути совершенствования метода размерного анализа технологических процессов в машиностроении. Ученые записки. Том VI - Альметьевск: Типография АГНИ, 2008. 419с. (с. 110-114).
50
