К вопросу о деформации тонкостенных деталей при обработке на станках токарной группы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408

электронный научно-технический журнал

К вопросу о деформации тонкостенных деталей при обработке на станках токарной группы # 02, февраль 2014 DOI: 10.7463/0214.0700319

Арбузов Е.В., Жаргалова А.Д., Лазаренко Г.П., Семисалов В.И.

УДК 621.96

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана eva. 412:S,m ail.ru aAaxgalovaffibmstu.ru

s erg еу 7 s ffiy and ex.ru

Введение

Тонкостенные детали занимают значительную долю в номенклатуре промышленных изделий. Обработка таких деталей встречает трудности, обусловленные их деформацией под действием сил резания и закрепления [1]. Анализ литературных источников по обработке таких деталей показывает, что для преодоления этой проблемы обычно используются специальные станочные приспособления [2], повышающие жёсткость системы «станок-приспособление-инструмент-деталь» до уровня, отвечающего требованиям к точности изготавливаемой детали. Недостатками такого подхода является увеличение сроков технологической подготовки производства, а также повышение производственных затрат, обусловленных проектированием приспособлений, их изготовлением и эксплуатацией [3]. Перечисленные издержки особенно ощутимы в единичных и мелкосерийных производствах (самолётостроение, ракетостроение, судостроение и др.), в которых упомянутые производственные затраты значительно повышают себестоимость изготавливаемых деталей.

В этой связи представляется целесообразным поиск и изучение альтернативных возможностей преодоления проблемы податливости тонкостенных деталей, например, путём разработки «смягчённых» режимов резания при которых деформация деталей не будет превышать допустимых значений. Обзор публикаций и литературы показывает, что данная тема недостаточно полно раскрыта. В связи с этим, целью настоящей работы является оценка реализуемости возможностей механической обработки нежёстких деталей с допустимыми технологическими

деформациями, применяя при этом стандартные приспособления в сочетании со специальными режимами резания.

Основная часть

Постановка задачи

Метод исследования - числовое моделирование деформации тонкостенных деталей под действием сил резания и сил закрепления. Ожидаемым результатом работы является выявление общего характера и масштабов деформации деталей, обрабатываемых на токарных станках. В работе решались следующие задачи:

1. Формирование номенклатуры деталей, представляющих типичные классы тонкостенных деталей типа тел вращения.

2. Описание типовых схем силового нагружения деталей при их обработке на токарных станках в стандартных приспособлениях.

3. Моделирование деформации обрабатываемой детали под действием технологических нагрузок, выявление общей топологии деформационных полей и определение значений упругих деформаций обрабатываемой поверхности деталей.

4. Анализ полученных результатов по влиянию силовых технологических нагрузок на упругую деформацию деталей.

В конечном итоге, настоящая работа направлена на количественное оценивание необходимости и принципиальной возможности использования специальных режимов резания, обеспечивающих обработку тонкостенных деталей с требуемой размерной точностью без применения индивидуально создаваемых для этого станочных приспособлений.

Исходные данные, ограничения и допущения

1. Настоящее исследование ограничивается рассмотрением случаев обработки деталей на токарных станках, при которых [4, 5] деталь нагружается силой резания и силами закрепления от инструмента и зажимных кулачков токарного патрона. При этом, делается допущение о том, что приложение технологических нагрузок к детали носит точечный характер.

2. В качестве объекта исследования выбраны два класса нежёстких деталей токарной группы - детали класса «Труба» (Т), и детали класса «Диск» (Д), представленные на Рис. 1. Классы деталей Т и Д заданы семейством из девяти деталей-представителей (Т1.1...Т3.3 и Д1.1...3.3), охватывающих размерный диапазон, типичный для деталей данных классов (табл. 1).

ь

<-

Рис. 1. Эскиз деталей и классов Т и Д.

Размеры деталей классов Т и Д Таблица 1

Типоразмеры детали Т, Д D, мм L, мм d, мм

Т1.1, Д1.1 4

Т1.2, Д1.2 60 50 5

Т1.3, Д1.3 6

Т2.1, Д2.1 8

Т2.2, Д2.2 125 100 10

Т2.3, Д2.3 12

Т3.1, Д3.1 15

Т3.2, Д3.2 250 200 20

Т3.3, Д3.3 25

3. Материал деталей Т и Д - сталь 45. Механические характеристики стали: предел прочности (сВ) - 600 МПа; предел текучести (с02) -340 МПа; относительное удлинение (б) - 16%; относительное сужение (ф) - 40%; твердость по Бринеллю (НВ) - 2400 МПа; ударная вязкость (аи) - 0,5 МПа.

4. Детали класса Т и Д закрепляются в 3-х кулачковых патронах и подвергается продольному точению (детали класса Т, Рис. 2) и поперечному торцевому точению (детали класса Д, Рис. 3)

00

00

Рис.2. Схема силового технологического нагружения деталей класса Т.

VR

Px

х

Вид А

А

Рис.3. Схема силового технологического нагружения деталей класса Д.

5. Для каждого типоразмера деталей классов Т и Д моделируется обработка на трёх режимах резания [6, 7], соответствующих трём стадиям формообразования: черновая обработка (Ra 12,5 мкм; IT10; режим обработки - t =1,25 мм, S=0,9 мм/об); чистовая обработка (Ra 6,3 мкм; IT8; режим обработки - t=1,0мм, S=0,35мм/об); тонкая обработка (Ra 1,25 мкм; IT6; режим обработки -t=0,85 мм, S=0,1 мм/об).

Значения составляющих Px, Py, Pz, силы резания определялись традиционно, исходя из технологических параметров режимов резания по известным аналитическим зависимостям [5, 6, 7].Значения сил закрепления R детали в кулачках патрона определялись из условий «непроскальзывания» детали в кулачках за счёт противодействия сил трения в точках контакта пар «кулачок-деталь» (табл. 2).

R

Силы резания при обработке деталей класса Т и Д

Таблица 2

Типоразмеры детали Т и Д Черновая обработка Px, Py, Pz, ^ Н Чистовая обработка Px, Py, Pz, ^ Н Тонкая обработка Px, Py, Pz, ^ Н

Т1.1, Т1.2, Т1.3 Д11, Д12, Д13 770, 990, 2200, 1400 350, 450, 1000, 650 210, 270, 600, 380

Т2.1, Т2.2, Т2.3 Д21, Д2.2, Д2.3 1750, 2905, 5000, 3100 665, 855, 1900, 1250 315, 405, 900, 500

Т3.1, Т3.2, Т3.3 Д31, Д3.2, Д3.3 2905, 3735, 8300, 5100 875, 1125, 2500, 1550 420, 540, 1200, 750

Расчёт деформации тонкостенных оболочковых деталей

Деформация рассматриваемых тонкостенных деталей при их токарной обработке исследуется моделированием в среде конечно-элементного программного комплекса ANSYS [8]. в соответствии с принятыми допущениями и ограничениями. Моделирование включает две этапа.

- определение деформации от сил закрепления: ввод исходных данных, выбор типа задачи выбор типа элемента, задание свойств материала, построение геометрии в цилиндрической системе координат, разбиение модели на конечные элементы, приложение сил закрепления;

- определение деформации от суммарного воздействия сил закрепления и сил резания: приложение сил резания к детали с начальными смещениями от закрепления, построение диаграммы суммарного векторного перемещения, получение максимального перемещения.

Результаты моделирования деформации деталей типа Т1.1. и Д 1.1. от закрепления приведены на рис. 4 и 6, а деформации от суммарного воздействии технологических нагрузок резания и закрепления - на рис. 5, 7. и в таблицах 3 и 4.

Рис. 4. Распределение деформации детали Т1.1. от сил закрепления

Рис. 5. Распределение деформации детали Т1.1. от совместного действия сил закрепления и сил резания.

Рис. 6. Распределение деформации детали Д1.1. от сил закрепления

Рис. 7. Распределение деформации детали Д1.1.

от совместного действия сил закрепления и сил резания.

Предельные значения деформации (мкм) деталей класса Т Таблица 3.

Типоразмер детали Черновая обработка Чистовая обработка Тонкая обработка

Т1.1 87,528 (120*) 39,785 (46) 23,871** (19)

Т1.2 54,815 (120) 24,916 (46) 14,950 (19)

Т1.3 40,233 (120) 18,288 (46) 10,973 (19)

Т2.1 104,034 (160) 39,533 (63) 18,726 (25)

Т2.2 63,453 (160) 24,112 (63) 11,422 (25)

Т2.3 45,454 (160) 17,272 (63) 8,182 (25)

Т3.1 101,098 (185) 30,451 (72) 14,617 (29)

Т3.2 52,670 (185) 15,864 (72) 7,615 (29)

Т3.3 35,339 (185) 10,644 (72) 5,109 (29)

* В скобках указаны поля допусков (мкм) по квалитету IT10 - для черновой обработки, IT8 - для чистовой обработки, IT6 - для тонкой обработки .

** Жирным шрифтом выделены значения деформации, превышающие отклонения размеров, определённые указанными квалитетами точности для рассматриваемых стадий механической обработки.

Предельные значения деформаций (мкм) деталей класса Д Таблица 4.

Типоразмер детали Черновая обработка Чистовая обработка Тонкая обработка

Д11 212,230 (120) 96,468 (46) 57,881 (19)

Д12 114,544 (120) 52,065 (46) 31,239 (19)

Д13 70,224 (120) 31,920 (46) 19,152 (19)

Д2.1 259,599 (160) 98,648 (63) 46,728 (25)

Д2.2 139,701 (160) 53,086 (63) 25,146 (25)

Д2.3 85,358 (160) 32,436 (63) 15,364 (25)

Д3.1 258,423 (185) 77,838 (72) 37,362 (29)

Д3.2 115,952 (185) 34,925 (72) 16,764 (29)

Д3.3 63,585 (185) 19,152 (72) 9,193 (29)

Выводы

1. Настоящая работа рассматривается авторами, как сбор предварительной информации по мало изученному вопросу о технологической деформации деталей при их обработке на металлорежущих станках.. Рассмотрен частный случай - токарная обработка тонкостенных деталей классов «Труба» и «Диск».

2. Полученные в работе данные иллюстрируют общий характер и порядок значений технологической деформации для случаев обработки на нормативно назначенных режимах резания и при использовании стандартных станочных приспособлений - трёх кулачкового патрона.

3. Установлено, что при варьировании в рамках принятых ограничений формы и размеров деталей, технологическая деформация деталей изменяется в широких пределах и может достигать трёхкратного превышения поля допуска на исполнительные размеры обрабатываемых поверхностей.

4. Полученные данные позволяют сделать предположение о потенциальной возможности контролируемого управления технологической деформацией нежёстких деталей за счёт применения специальных режимов резания.

5. Для прогнозирования условий обработки тонкостенных деталей с приемлемой технологической деформацией необходима разработка общей методологии и расчетного инструмента, позволяющих решать обратную задачу технологического проектирования -«предельно допустимая деформация режим резания».

Заключение

Полученные результаты подтверждают возможность прогнозирования топологии технологической деформации тонкостенных деталей при их механической обработке. Для прогнозирования условий, обеспечивающих обработку тонкостенных деталей с технологической деформацией, лежащей в интервале значений, допустимых требованиями заданной точности. Для решения этой задачи необходимо создание специального формализованного расчётного инструмента. Современные теоретические и инструментальные средства создают определённые предпосылки для разработки данной проблемы и требуют проведения дополнительных исследований.

Список литературы

1. Технология машиностроения. В 2 т. Т.1. Основы технологии машиностроения / под ред. А.М. Дальского. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 370 с.

2. Ансеров М.А. Приспособления для металлорежущих станков: Расчёт и конструирование. М.-Л.: Машиностроение, 1996. 341 с.

3. Методические указания. ЕСТПП. Выбор и рациональное применение системы станочных приспособлений. М.: Изд-во стандартов, 1979. 87 с.

4. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.

5. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1967. 500 с.

6. Дальский А.М., Суслов А.Г., Жесткова И.Н. и др. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 1 / под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2001. 912 с.

7. Гузеев В.И., Батуев В.А., Сурков И.В. Режимы резания для токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станков с числовым программным управлением: Справочник. М.: Машиностроение, 2007. 366 с.

8. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. АКБУБ в руках инженера. Практическое руководство. М.: УРСС, 2004. 272 с.

SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MS TU

SCIENCE and EDUCATION

EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408

electronic scientific and technical journal

On deformation of thin-walled parts while turning on the lathes

# 02, February 2014

DOI: 10.7463/0214.0700319

E.V. Arbuzov, A.D. Zhargalova, G.P. Lazarenro, V.I. Semisalov

Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation

eva. 412:^.maiLm azliaxgalovaiSfomstu.m

s erg ey 7 s ffiy and ex.ru.

In a number of industries such as aviation engineering, instrumentation engineering, etc. the nonrigid thin-walled parts are a widespread sort of products. For their turning on the lathes the specially designed arrangements are necessary to prevent parts from deformation caused by the action of cutting force and retaining pressure. To create and use the arrangements extra costs are needed, and it, as a consequence, leads to the growth of production price. Potentially, there is another approach. It is to machine using the standard arrangements under special "soft" cutting operation conditions, which are characterized by reduced forces to act on the part, thus decreasing process deformations to the appropriate level. It may be a priori expected that such approach is economically more preferable. Unfortunately, it is difficult to conduct a comparative assessment of these two alternatives to choose a preferable version because of limited data on studies and implementation of the second alternative. Thereupon, to learn the thin-walled deformations versus their treatment conditions is of interest.

The aim of the paper is to have general information on topology and elastic deformation value of thin-walled parts, machined on the lathes. The objective is to assess a perspective for further potentially possible activities to develop a concept of machining the thin-walled parts with controlled deformation due to selecting the "soft" cutting operation conditions.

The paper studies the thin-walled steel parts of class "Tube" and "Disk" in the role of force action with their dimensions within the range of 5-200 mm for the length, 60-250 mm for diameter, and 4-25 mm for the wall thickness. It considers a chucked work-holding scheme and two machining types, namely external turning cut (for parts of class "Tube") and cross butt turning (for parts of class "Disk"). Three stages of machining have been simulated for each type of machining, namely rough (Ra 12.5; IT10), finishing (Ra 6.3; IT8), and fine finishing (Ra 1.25; IT6). Normative cutting operating conditions are as

follows: rough processing - cutting depth of 1.25 mm, feed of 0,9 mm/rev; finish processing - cutting depth of 1.0mm, feed of 0.35mm/rev; fine processing - cutting depth of 0.85 mm, feed of 0.1 mm/rev. There are calculated cutting forces within the following ranges: Px - from 2900 to 210 H; Py - from 3740 to 270 H; Pz - from 5100 to 280 H, which correspond to these stages. It is assumed that the part is held in the chuck by the friction forces arising in the points of jaws holder. In this case the calculated work-holding forces had values from 5100 to 380 H provided that the part is non- displaceable.

The elastic deformation characteristics of the thin-walled parts of class "Tube" and "Disk" have been achieved by using a numeric simulation of conditions for technological strength loading of these parts. The simulation has been accomplished using an ANSYS software complex. As a result 3-D diagrams have been obtained to show a distribution of elastic deformation fields of the parts "Tube" and "Disk" for machining versions under consideration. The maximum values of elastic displacements on the working surfaces of parts are given in tables to illustrate, in general, a dependence of parts deformation on the varying parameters for considered cases of turning on lathes.

Data obtained shows that machining the thin-walled parts under the normative cutting operation conditions is accompanied by their deformation, which changes in a wide range (in the conducted experiment from 0.1 to 3 values of tolerance field for dimensions of machined surfaces). This allows us to make the following conclusions. 1) Deformation control of processing parts is an important factor to provide its accuracy and minimization 2) Modern computer-aided simulation software (in our case complex ANSYS) is an efficient tool to assess an expected deformation of the parts to be machined. 3) Computer-based simulation software enables new capabilities for prompt and low cost solution of two challenges of process design; a) search for the rational scheme to hold the parts on the lathe and a reasonable choice of arrangement standard or special one; 6) finding the «soft» cutting operation conditions to restrict the process deformation by permissible values.

At the contemporary level to develop the issue under discussion the second challenge can be solved by the method of iterations. For direct optimized solution of the second challenge it is necessary to design a target formalized tool. This tool contributes to increasing promptness and visibility to find the rational solutions, as well as to creating new prerequisites to diversify a sphere of computer-aided design and manufacturing processes control.

Publications with keywords: treatment of cutting, a thin-walled workpiece, technological deformation Publications with words: treatment of cutting, a thin-walled workpiece, technological deformation

References

1. Dal'skiy A.M., ed. Tekhnologiya mashinostroeniya. V 2 t. T.1. Osnovy tekhnologii mashinostroeniya [Mechanical engineering technology. In 2 vols. Vol. 1. Fundamentals of machine building technology]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 1999. 370 p. (in Russian).

2. Anserov M.A. Prisposobleniya dlya metallorezhushchikh stankov: Raschet i konstruirovanie [Adaptations for metal-cutting machine tools: Calculation and Design]. Moscow - Leningrad, Mashinostroenie, 1996. 341 p. (in Russian).

3. Metodicheskie ukazaniya. ESTPP. Vybor i ratsional'noe primenenie sistemy stanochnykh prisposobleniy [Methodical instructions. Unified system for technological preparation of production. Selection and rational use of machine tool accessories]. Moscow, Standards Publishing House, 1979. 87 p. (in Russian).

4. Granovskiy G.I., Granovskiy V.G. Rezanie metallov [Metal cutting]. Moscow, Vysshaya shkola, 1985. 304 p. (in Russian).

5. Arshinov V.A., Alekseev G.A. Rezanie metallov i rezhushchiy instrument [Metal cutting and cutting tool]. Moscow, Mashinostroenie, 1967. 500 p. (in Russian).

6. Dal'skiy A.M., Kosilova A.G., Meshcheryakov R.K., Suslov A.G., eds. Spravochnik tekhnologa-mashinostroitelya. V 2 t. T. 1 [Handbook of technologist- machinist. In 2 vols. Vol. 1]. Moscow, Mashinostroenie, 2001. 912 p. (in Russian).

7. Guzeev V.I., Batuev V.A., Surkov I.V. Rezhimy rezaniya dlya tokarnykh i sverlil'no-frezerno-rastochnykh stankov s chislovym programmnym upravleniem: Spravochnik [Cutting data for turning and drilling- milling- boring machine tools with computer numerically controlled : Handbook]. Moscow, Mashinostroenie, 2007. 366 p. (in Russian).

8. Kaplun A.B., Morozov E.M., Olfer'eva M.A. ANSYS v rukakh inzhenera. Prakticheskoe rukovodstvo [ANSYS. A Practical Guide for Engineers]. Moscow,URSS Publ., 2004. 272 p. (in Russian).