CC BY
36
УДК 621.002.2 + 621:681.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДИК КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И ТОРЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ
А
© Я.В. Высогорец1
Филиал ФГБОУ вПо «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет) в г. Миассе, 456304, Россия, Челябинская обл., г. Миасс, ул. Калинина, 37.
Представлены методики определения параметров точности цилиндрических и торцевых поверхностей деталей. Для этих методик описываются программное обеспечение, измерительная установка и экспериментальные исследования. В ходе экспериментов вычислены параметры размерной точности, точности формы и взаимного расположения деталей «тело вращения» (отклонение от круглости, соосности, перпендикулярности, радиальное и торцевое биения). Сравниваются результаты исследования для различного числа точек исследуемых сечений. Ил. 7. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: автоматизированный контроль; точность формы; точность взаимного расположения; прилегающая окружность; прилегающая плоскость; отклонение от круглости; отклонение от соосности; отклонение от перпендикулярности; торцевое биение; радиальное биение.
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF METHODS TO CONTROL CYLINDRICAL AND BUTT PART SURFACE ACCURACY PARAMETERS Ya.V. Vysogorets
Branch of the Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Education "South-Ural State University"
(National Research University) in Miass,
37 Kalinin St., Miass, Chelyabinsk region, Russia, 456304.
The paper describes the techniques to determine precision parameters of cylindrical and butt surfaces of parts. The software, measuring setup and experimental researches are described for these techniques. Conducted experiments allowed to calculate the parameters of dimensional accuracy, shape precision and accuracy of relative position of the parts of "solid of revolution" type (deviation from roundness, coaxiality and perpendicularity; butt and radial runo ut). Experimental results are compared for a different number of points of studied sections. 7 figures. 9 sources.
Key words: automated control; shape precision; accuracy of relative position; adjacent circle; adjacent plane; out of roundness; coaxiality deviation (disalignment); deviation from perpendicularity; butt runout; radial runout.
В настоящее время ручной контроль деталей, выпускаемых машиностроительными предприятиями, все в большей степени заменяется контролем автоматизированным. Российский рынок насыщается различными иностранными продуктами для подобных измерений - координатно-измерительными машинами (КИМ), цифровыми штангенрейсмусами, штангенциркулями, микрометрами, нутромерами, индикаторами, датчиками со встроенными АЦП и т.п.
Появляются отечественные производители (в основном более простых средств измерений, реже -аналогов зарубежных КИМ), такие фирмы, как «ТЕ-КО», «ЧИЗ», «ЛА-ПИК», «ИТЦ Интеграл» и др. [3]. Наиболее точные датчики, инструменты и приборы, впрочем, до сих пор закупаются у швейцарских, немецких и др. производителей (DEA, Carl Zeiss, Coord3, Delcam и т.д.), что увеличивает стоимость измерительных устройств, усложняет адаптацию, отрицательно влияет на развитие отечественной метрологии и количество квалифицированных отечественных метрологов, обостряет зависимость России от политической конъюнктуры и т.д.
Помимо производственного развития, происходит и развитие научное: разрабатываются и исследуются новые методы контроля, что находит отражение в научно-машиностроительной периодике, защите диссертаций, получении патентов на изобретение. В числе современных отечественных исследователей данной области стоит выделить С.Г. Чиненова, С.Г. Лаки-рева, С.В. Косаревского, Б.С. Бражкина, Ю.С. Сысоева и др. [1-5, 8, 9].
В Южно-Уральском государственном университете в 2005-2011 гг. были разработаны новые отечественные методики контроля параметров размерной точности, точности формы и взаимного расположения поверхностей, сопутствующее программное обеспечение (ПО) и измерительная установка на базе центров [2, 5-7, 9]. В данной статье описываются экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность методики контроля диаметральных, линейных размеров, отклонения от круглости, соосности, перпендикулярности, радиального и торцевого биений.
Описание методики. Методика контроля внутренних и наружных цилиндрических, а также торцевых
1 Высогорец Ярослав Владимирович, соискатель, старший преподаватель кафедры технологии производства машин, тел.: 89085774027, e-mail: [email protected]
Vysogorets Yaroslav, Competitor for a scientific degree, Senior Lecturer of the Department of Technology of Machinery Production, tel.: 89805774027, (351)551868, e-mail: [email protected]
поверхностей подробно описана в статьях Вестника ИрГТУ [2, 9], ее новизна подтверждена патентом РФ [5].
При контроле цилиндрических поверхностей, согласно методике: рассматривается деталь, закрепленная в центрах, для нее выбираются серединные сечения измеряемой цилиндрической поверхности и базовой цилиндрической поверхности; для двух сечений определяются координаты множеств точек контуров этих сечений; на базовом сечении через каждые три точки проводятся окружности, после чего проверяется, являются ли эти окружности охватывающими, то есть не лежат ли точки сечения за пределами полученной окружности; если хотя бы одна из точек лежит за пределами сечения, такая окружность не является охватывающей и в дальнейших расчетах не участвует; после перебора всех точек этого сечения (по три) выбирается наименьший диаметр охватывающей окружности, эта окружность будет являться прилегающей (описанной) для сечения базовой поверхности; параметры найденной окружности запоминаются; аналогичным образом находятся координаты центра и радиус прилегающей окружности для измеряемого сечения; удвоенный радиус прилегающей окружности будет являться диаметральным размером детали в измеряемом сечении, для которого осуществляется пересчет радиус-векторов измеренных точек контура относительно найденного ранее центра прилегающей окружности; для каждой точки контура сечения измеряемой цилиндрической поверхности определяется отклонение радиуса прилегающей окружности от пересчитанных радиус-векторов точек, найденных ранее; максимальное из этих отклонений будет являться отклонением от круглости; производится пересчет радиус-векторов измеряемой поверхности относительно оси базовой поверхности, проведенной параллельно оси вращения детали через центр, найденный ранее; определяется максимальная разница радиус-векторов точек сечения измеряемой поверхности относительно базовой оси, эта разница будет соответствовать величине радиального биения; между проекциями найденных центров прилегающих окружностей двух сечений базовой и измеряемой поверхностей либо двух сечений одной поверхности на плоскость перпендикулярную базовой оси проводится отрезок прямой, величина которого является отклонением от соосности [2, 5, 9].
При контроле торцевых поверхностей: выбирается закрепленная каким-либо образом деталь, на ней рассматриваются два крайних сечения базовой цилиндрической поверхности и измеряемая торцевая поверхность; для двух сечений определяются координаты множеств точек контуров этих сечений; определяются положения оси базовой поверхности - для этого определяется положение центров прилегающих окружностей в двух сечениях (методика определения представлена выше); зная положение центров прилегающих окружностей, через эти две точки проводится пространственная прямая, которая будет являться осью базовой поверхности; каким-либо образом определяются координаты точек А!, А2 ... Ап на исследуе-
мой торцевой поверхности; после замера точек для определения прилегающей плоскости через каждые три точки проводится плоскость; определяется, не лежит ли какая-либо измеренная точка правее проведенной плоскости; если какая-либо из точек лежит правее плоскости, то такая плоскость не может быть прилегающей и отбрасывается, выбираются следующие три точки, то есть производится перебор точек по 3; если все точки лежат левее плоскости либо на ней, то такая плоскость может быть прилегающей, ее параметры запоминаются; в общем случае могут быть найдены несколько таких плоскостей, прилегающая плоскость может быть определена через периметр треугольника с вершинами в точках, через которые строится плоскость: плоскость с максимальным периметром будет являться прилегающей; зная аналитическое выражение для оси базовой цилиндрической поверхности и для прилегающей плоскости, определяется угол отклонения оси базовой поверхности от прилегающей плоскости к торцевой поверхности детали; этот угол, выраженный в линейных единицах, является отклонением от перпендикулярности; торцевое биение ЕСА определяется как разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реального профиля торцовой поверхности до плоскости, перпендикулярной к базовой оси [2, 9].
Описание измерительной системы. Эксперименты осуществлялись на измерительной системе, состоящей из центров, оснащенных датчиками, шаговым двигателем с источником питания, драйвером и блоком управления, блоком сбора информации с датчиков и передачи этой информации на компьютер, программного обеспечения и персонального компьютера [5-7] (рис. 1). В качестве дополнительного оборудования использовались: индикаторы цифровые (0,001 мм), цифровые штангенрейсмус (0,01 мм) и микрометр (0,001 мм).
В ходе экспериментов контролю подвергались детали «тело вращения» изделий отечественного машиностроения (рис. 2).
Описание эксперимента. Для серединных сечений цилиндрических поверхностей деталей вычисляются следующие параметры точности:
■ диаметр;
■ отклонение от круглости;
■ радиальное биение;
■ отклонение от соосности (рис. 3).
Для торцевых поверхностей вычисляются следующие параметры точности:
■ линейный размер;
■ допуск перпендикулярности;
■ торцовое биение.
Измерения проводятся по 5, 6, 7, 8, 9, 10, 30, 60, 101 точке (см. рис. 3) сечений деталей. Управление шаговым двигателем и обработка данных с угловыми и линейными координатами точек, полученными с датчиков, осуществляется при помощи компьютера и специализированного авторского ПО [6, 7]. Эксперимент проводился при температуре 21-22 С. Контролировались цилиндрические и торцевые поверхности деталей «тело вращения» отечественного машино-
строения (см. рис. 2).
По результатам измерений были построены графики зависимостей ДD (диаметра), АТРБ (отклонения от круглости), ДЕСР (радиального биения), ДЕРС (отклонения от соосности) от изучаемого числа точек исследуемого сечения (рис. 4, 5).
В ходе анализа графиков выяснилось, что колебание погрешностей формы и месторасположения деталей типа «тело вращения» диаметрами менее 50 мм до 30-40 точек сечения происходит случайным образом, далее при увеличении числа точек до 100 по-
грешность снижается до долей микрометров (составляет менее 1 мкм). Аналогичная ситуация наблюдается при определении параметров точности торцевых поверхностей (допуска перпендикулярности и торцового биения) (рис. 6).
Исследования показывают, что при определении параметров точности формы и месторасположения для деталей с диаметрами до 50 мм достаточно 100 точек исследуемого сечения при точности измерений порядка 0,001 мкм. При диаметрах свыше 50 мм число точек рекомендуется увеличить до 200.
Рис. 1. Измерительная система для контроля групп параметров точности деталей
Рис. 3. Программное обеспечение для контроля цилиндрических поверхностей
100 п чист точен <0:0! 5 10 30 60 ЮО а число точек
Рис. 4. Графики зависимости параметров точности от числа точек сечения детали 1
Рис. 5. Графики зависимости параметров точности от числа точек сечения детали 2
Рис. 6. Графики зависимости параметров точности торцевых поверхностей деталей
от числа рассматриваемых точек
Снижение погрешности измерений. С целью снижения общей погрешности измерений базовая поверхность контролируется синхронно с измеряемой (установлен дополнительный датчик). Также разработан механизм учета биений центров (рис. 7). На конус каждого из центров ставится датчик положения. Одновременно со снятием информации с сечений детали проводится снятие информации с поверхностей центров.
Две точки на конических поверхностях центров: (ХпьУп|) - переднего центра и (хз|;уз|) - заднего центра -
соединяются прямой. Угол наклона определяется с помощью уравнения
1. и
а = Г =
уз1-уш
Ьоб
где А - величина биения центров в измеряемом сечении; L - расстояние от исследуемого сечения переднего центра до измеряемого; у3,, уш - ординаты точек исследуемых сечений на переднем и заднем центрах соответственно; Lо6 - расстояние между сечениями центров (см. рис. 6).
Рис. 7. Компенсация радиального биения центров
Так как уз|, упЬ 1_о6 известны, то угол а определяется как
а = ^д( =).
А величина биения А находится из уравнения
¿(уз I-уп I)
А =
Ьоб
Тогда скорректированная с учетом биения центров координата у* измеряемого сечения определяется из уравнений:
у* = у + А;
( )
= у + :
Ьоб
Центра вращаются синхронно с деталью, каждая координата точки сечения у| корректируется на свою величину А, соответствующую определенному углу поворота детали в центрах. Таким образом, по ходу измерений учитывается погрешность приспособления, которая является доминирующей, и инструментальная составляющая погрешности сводится к погрешности датчика, которая не превышает 0,001 мм.
Описанные в статье методики позволяют опреде-
лять:
■ диаметральный и линейный размеры;
■ параметры точности формы деталей;
■ параметры точности месторасположения;
■ радиальное и торцовое биения.
Численные и натурные экспериментальные исследования предложенных методик подтвердили их достоверность. Приведенные разработки позволяют на базе простой в изготовлении и эксплуатации измерительной системы осуществлять контроль высокой точности (1 мкм) деталей с центральной осью симметрии, в том числе по ходу технологического процесса их изготовления.
Материалы исследований (диссертации): математические модели - алгоритмы - программное обеспечение - измерительная система используются в учебном процессе подготовки инженеров специальностей 151001, 200503, 220501 при изучении дисциплин «Метрология, стандартизация, сертификация» и «Технология машиностроения» филиала ЮУрГУ в г. Миассе.
Библиографический список
1. Бражкин Б.С., Миротворский В.С. Специализированные координатно-измерительные приборы КИП-1, КИП-2 и КИП-3 для контроля распределительных валов // Технология машиностроения. 2009. № 6(84). С. 43-49.
2. Высогорец Я.В., Чемборисов Н.А. Методика контроля групп параметров точности цилиндрических и торцевых поверхностей деталей // Вестник ИрГТУ. № 12(59). 2011. С. 2026.
3. Косаревский С.В. Автоматизация контрольно-измерительных операций при производстве крупногабаритных деталей атомного энергомашиностроения: дис. ... канд. тех. наук. СПб., 2009. 140 с.
4. Патент 2 009 137 922(13) РФ, МПК51, 001В11/00 (2006.01). Устройство и способ бесконтактного измерения диаметра и овальности объектов круглого сечения / П.И. Горковенко (Ри) [и др.]. Заявл. 2009137922/28, 13.10.2009; опубл. 20.04.2011.
5. Патент 2 348 006 С1 РФ, МПК51 О 01 В5/08, О 01 В5/12. Способ размерного контроля поверхностей деталей, имеющих круглые сечения / Чиненов С.Г., Максимов С.П., Высо-
горец Я.В. № 2007126311/28; заявл. 10.07.07; опубл. 27.02.09. Бюл. № 6. 15 с.
6. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614778. Программа для определения параметров точности цилиндрических поверхностей деталей типа «тело вращения» / Я.В. Высогорец, С.Г. Чиненов; заявка № 2011613133 от 29.04.2011. 26 с.
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011617665. Программа для определения параметров точности торцевых поверхностей / Я.В. Высого-рец, С.Г. Чиненов, Р.Р. Саитгалиев; заявка № 2011615883 от 3.09.2011. 25 с.
8. Сысоев Ю.С. Координатные методы контроля геометрии поверхностей изделий машиностроения. Методы контроля профилей деталей машин: справочник // Инженерный журнал. 2007. № 2. С. 19-25.
9. Чиненов С.Г., Высогорец Я.В., Максимов С.П. Математическое моделирование операций комплексного размерного контроля деталей машин // Вестник ИрГТУ. №8(55). 2011. С. 172-176.
УДК 621. 787
ОБОСНОВАНИЕ ГЛУБИНЫ УПРОЧНЕНИЯ НЕЖЕСТКИХ ВАЛОВ ПРИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ ОБКАТНИКОМ
© А.В. Горбунов1, В.Ф. Горбунов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова , 83.
Представлено теоретическое и экспериментальное обоснование глубины упрочнения нежестких валов поверхностной пластической деформацией (ППД) с использованием центробежного обкатника. Минимальная шероховатость достигается при распространении пластической деформации на глубину, не превышающую размера зоны взаимного влияния зерен. Дальнейшее увеличение частоты вращения увеличивает шероховатость поверхности, возникает выкрашивание (шелушение). Ил. 4. Библиогр. 32 назв.
Ключевые слова: нежесткий вал; поверхностный слой; пластическая деформация; глубина упрочнения.
RATIONALE FOR NON-RIGID SHAFT HARDENING DEPTH UNDER SURFACE PLASTIC DEFORMATION BY CENTRIFUGAL ROLLER A. V. Gorbunov, V. F. Gorbunov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The paper presents a theoretical and experimental rationale for the hardening depth of non-rigid shafts by surface plastic deformation using a centrifugal roller. A minimal roughness is achieved by the propagation of plastic deformation into the depth, which doesn't exceed the size of the grain interaction zone. The growth of rotation frequency increases the surface roughness and chipping (flaking) arises. 4 figures. 32 sources.
Key words: non-rigid roller (shaft); surface layer; plastic deformation; depth of hardening
Глубина упрочнения при поверхностной пластической деформации (ППД) связана с основными параметрами, определяющими качество обработки: степенью деформационного упрочнения, величиной и глубиной залегания остаточных напряжений сжатия, шероховатостью, волнистостью обработанной поверхно-
сти [20, 18].
Для жестких валов, у которых отношение длины вала I к его диаметру й меньше 10, обычно рекомендуется увеличивать глубину упрочнения, не допуская разрушения в связи с исчерпанием пластичности материала (шелушение, расслоение). Увеличение глуби-
1Горбунов Андрей Владимирович, аспирант, тел.: 89501446933, e-mail: [email protected], [email protected] Gorbunov Andrei, Postgraduate, tel.:89501446933, e-mail: [email protected], [email protected]
2Горбунов Владимир Федорович, кандидат технических наук, доцент кафедры сопротивления материалов и строительной механики, тел.: 89086532181, e-mail: [email protected]
Gorbunov Vladimir, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Strength of Materials and Structural Mechanics, tel.:89086532181, e-mail: [email protected], [email protected]
