Контактные давления в процессе дорнования отверстий в заготовках с бесконечной толщиной стенок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВЖСКВОРЦОВ, А.Ю.АРЛЯПОВ

верхностях. Если экстраполировать эти результаты на внутреннюю область охлаждаемых лопаток, то в силу наличия многих концентраторов, как это следует из расчетов, выполненных методом конечных элементов, можно ожидать повышения уровня остаточных напряжений сжатия в местах резких переходов до величин 0о=К5ОО-7ОО) МПа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гецов Л.Б. Детали газовых турбин (материалы и прочность). Л.: Машиностроение, 1982.296 с.

Самарский государственный технический университет

УДК 621.787.4

В.Ф.СКВОРЦОВ, А.ЮАРЛЯПОВ

КОНТАКТНЫЕ ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ДОРНОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ В ЗАГОТОВКАХ С БЕСКОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНОК

Изложены методика и результаты экспериментальных исследований средних контактных давлений и параметров шероховатости поверхности при дорновании отверстий в заготовках с бесконечной толщиной стенок, даны рекомендации по выбору режимов дорнования отверстий малого диаметра.

Для обоснованного выбора режимов дорнования отверстий и расчета инструмента на прочность необходимо располагать сведениями о нормальных давлениях, возникающих в контакте рабочего конуса инструмента с обрабатываемой заготовкой (контактных давлениях). Имеющиеся в литературе данные о средних контактных давлениях в процессе дорнования отверстий в заготовках с бесконечной толщиной стенок ограничены [1]. Они относятся к обработке отверстий сравнительно большого диаметра (<1=32 мм) с малыми натягами на зуб инструмента (а=0,02...0,05 мм) и с малыми суммарными относительными натягами (Еа/<1<0,01).

Между тем в последнее время нами показано [21 что дорнование отверстий малого диаметра ((1=1...3 мм) в заготовках с бесконечной толщиной стенок может осуществляться с суммарными относительными натягами до Еа/с1=0,05...0,07, обеспечивая повышение точности отверстий с учетом погрешностей формы с 11...12 до 6...7 квалитетов. В связи с этим значительный интерес представляет изучение контактных давлений в более широком диапазоне изменения режимов и условий дорнования, а также изучения связи контактных давлений с параметрами качества поверхностного слоя обработанных отверстий.

Исследования проводили на заготовках из сталей 20 (НВ120), 45 (НВ170), сплава Д16Т (НВ130) и меди М1 (НВ47) с диаметрами отверстий 15, 8, 3 и 1,2 мм и их глубиной не менее Зй. Отверстия диаметром 15 и 8 мм растачивали; отверстия диаметром 3 и 1,2 мм получали сверлением, а затем для обеспечения высокой точности и малой шероховатости

КОНТАКТНЫЕ ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ДОРНОВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ В ЗАГОТОВКАХ С БЕСКОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНОК

поверхности их подвергали многоцикловому дорнованию. После такой обработки все заготовки отжигали в вакууме.

Дорнование отверстий выполняли однозубьши прошивками из стали IIIXI5 (НЯСэ 62...64), углы рабочего и обратного конусов которых составляли 6°, а ширина цилиндрической ленточки - 1 мм. Рабочие поверхности прошивок тщательно притирали, обеспечивая минимальный радиус перехода рабочего конуса к цилиндрической ленточке и шероховатость поверхности, соответствующую параметру Ra<0.04 мкм. В качестве смазочных материалов при дорновании отверстий использовали: жидкость MF-7 (стальные заготовки), МР-7 с дисульфидом молибдена (заготовки из сплава Д16Т), масло АМГ-10 (заготовки из меди М1). Дорнование отверстий осуществляли на испытательной машине ИР 5057-50 со скоростью 20 мм/мин.

Контактные давления определяли по формуле [1]

Р

т —z—г> (i)

тгс1сЬф(81п а +1 cosa)

где Р - усилие дорнования; dc - диаметр рабочего конуса посреди ширины контакта; Ьф - фактическая ширина контакта рабочего конуса с заготовкой; a - половина угла рабочего конуса; f- коэффициент трения.

Р,Н 13000 11000 9000 ' 7000 5000

--7 г*— l-i.

ь 3--

i к i

-г 1——

ц

Р,Н

1700 1400 1100 800

<

—I i

g

.. . ...

1 —1 —1

4 5 6 в,мм

0,5 1 1,5 2 2,5 3 в,мм б

Рис Л. Зависимости усилий дорнования отверстий в заготовках из стали 45 от ширины цилиндрической ленточки инструмента: а - с1=15мм; б - а=3мм; □ - а=0903мм; а »а=0.145; о - а=0,217 мм; ■ - а=0,02мм; д - а=0,06мм; • - а=0,08мм

Правомерность использования этой формулы (в части приравнивания усилия дорнования усилию на рабочем конусе) подтверждают результаты измерения усилия дорнования в зависимости от ширины цилиндрической ленточки инструмента (рис. 1). Как следует из рис Л, силы трения на цилиндрической ленточке невелики и при ее ширине до 1 мм не превышают 5% от усилия дорнования.

Фактическую ширину контакта Ьф при диаметре отверстия 8 и 15 мм измеряли методом абразивсодержащих пятен [1]? которые наносили в средней (по глубине) части отверстий. В качестве абразива использовали микропорошок электрокорунда белого 25А зернистостью 14. ..28 мкм. Для вдавливания абразивных зерен в поверхностный слой отверстий их подвергали трехцикловому дорнованию с суммарным натягом 0,06...0,08 мм. После этого абразивсодержащее пятно имело диаметр 3...4 мм и выступало над поверхностью отверстия на 1... 2 мкм. Подготовленные таким образом заготовки и использовали

В.Ф.СКВОРЦОВ, А. Ю. АР ЛЯП О В

для определения Ьф, за которую принимали длину оставляемых абразивсодержащим пятном царапин на рабочем конусе за вычетом поправки, обусловленной возвышением пятна над поверхностью отверстия.

Недостатками этого метода определения Ьф является то, что заготовка обязательно подвергается предварительной пластической деформации, а также то, что его трудно использовать при малом диаметре отверстия.

Выполненные нами исследования показали, что при дорновании отверстий в стальных заготовках стальным инструментом величина Ьф может быть найдена другим, не имеющим указанных недостатков, методом - по естественному следу контакта, формирующемуся на рабочем конусе инструмента. Причем оба метода определения Ьф дают практически одинаковые результаты (рис.2).

На рис.3 представлены зависимости фактической и геометрической ширины контакта рабочего конуса инструмента с заготовкой (Lr=a/2sina) от фактического натяга при 0ДН0ДЙКЛ0В0М и мкогоцикдовом дорновании (ОЦД и МИД) отверстий разного диаметра в заготовках из различных материалов. Видно, что фактическая ширина контакта определяется, главным образом, фактическим натягом дорнования и почти не зависит от материала заготовок, диаметра отверстия и числа циклов дорнования. При натягах до 0,1 мм фактическая ширина контакта совпадает с геометрической; при больших натягах она становится несколько меньше Lr. Статистическая обработка результатов измерений (рис.3) позволила получить уравнение регрессии Ьф = f (а) , которое имеет вид:

Рис.2. Фотография рабочей части инструмента: 1 - рабочий конус; 2 -цилиндрическая ленточка; 3 - естественный след контакта; 4 - царапины от абразивсодержащего пятна

1ф:1г, мм

2,5

2 1,5

1

0,5

2 UJ

ЙТ ......m ..„ □ 1

пМ рШ-J щ ►

^ -Ъ ; Л

......... -й- чй ■ д

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3 0,35 а,мм.

Рис.3. Зависимости фактической (1) и геометрической (2) ширины контакта рабочего конуса инструмента с заготовкой от натяга дорнования. Метсд абразивсодержащих

пятен: в - сталь 45, с1=8 мм, ОЦД; х - сталь 45, с1=8 мм, МЦД; а - сталь 20, с!=15 мм, ОЦД; а - сталь 20, (1=8 мм, ОЦД; и - сталь 20, <1=8 мм, МЦД; Ф - сплав Д16Т, (1=8 мм, ОЦД; • - медь М1, (1=8 мм, ОЦД; О - медь М1, (1=8 мм, МЦД. Метод естественного следа контакта: □ - сталь 45, <1=15 мм, ОЦД; о - сталь 45, й=3 мм, ОЦД; О - сталь 45, (1=1,2 мм, ОЦД; Ж - сталь 20, (1=3 мм, ОЦД; + - сталь 20, (1=1,2 мм, ОЦД

r^^/i^ju/xü/i ju, ллл 1 uinsjrk^iriri в jfc/ii UIUMKAÄ V

БЕСКОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНОК

Ьф = 44,076а3 - 24,939а2 + 10,695а + 0,0278.

(2)

Экспериментально установленные зависимости усилий дорнования от натягов ( а, 1а), которые использовали при расчете контактных давлений по формуле (1), аппроксимировали степенными функциями« Значения коэффициентов трения считали не зависящими от контактных давлений. В соответствии со справочными данными [3] было принято: ¿=0,07 (заготовки из сталей 20 и 45); 1=0,08 (заготовки из меди М1). Ширину контакта Ьф находили по уравнению (2).

Чм,

МПа

2200 1900 1600 1300 1000

0,04 0,1 0,16 0,22 а,1а,мм.

Рис.4, Зависимости средних контактных давлений от штат ups дорковгяии отверстий диаметром 15 мм в отожженных заготовках: 1 - стал* 45, МЦД; 2 - сталь 2С% МЦД; 3 - сталь 45, ОПД: 4 -сталь 20, ОЦД

1'

I см со-

А1 I < 1 1

Чы, МПа

2800

2500 2200 1900

1600

1—_

3 ч2

4

0,1 0,13 0,16 0,19 а.Ха.мм.

Рис.5.- Зависимости средних контактных давлений от натяга при дорковакии отверстий диаметром ¡5 мм ь предварительно упрочненных заготовках: 1 - сталь 45, МЦД; 2 - сталь 20, МЦД; 3 -сталь 41 ОЦД, 4 - сталь 20, ОЦД

Результаты исследования средних контактных давлений приведены на рис,4...7, из которых видно, что они очень существенно зависят от механических свойств материала заготовок и режимов дорнования отверстий»

€ повышением механических свойств (твердости, предела текучести) материала заготовок, в том числе и за счет их предварительной пластической деформации (см,рис.4 и 5), уровень контактных давлений возрастает.

При одноцикловом дорновании отверстий с увеличением натяга (а) контактные давления падают, причем наиболее интенсивно в области малых натягов. Это объясняется тем, что с повышением натяга фактическая ширина контакта растет быстрее, чем усилие дорнования. Необходимо подчеркнуть, что ранее подобная закономерность изменения контактных давлений от натяга была установлена для случая дорнования отверстий в заготовках с конечной толщиной стенок [1].

Основываясь на результатах исследований (рис.4.,.7), можно полагать, что в общем случае характер зависимости контактных давлений от суммарного натяга при многоцикловом дорновании в значительной степени будет определяться натягом на зуб инструмента. При этом контактные давления с увеличением £а (в зависимости от а) могут расти (рис.4...6), оставаться Рис 6: 3ависимости средних контактных дав;

у г г лении от натяга при дорновании отверстии

практически постоянными или падать.

При многоцикловом дорновании отверстий с увеличением суммарного натяга при натягах на

CjN,

МПа 850

650

450

250

1

2

0,06 0,12 0,18 0,24 а.Еа.мм.

диаметром 15 мм в отожженных заготовках из меди Ml: 1 - МОД: 2-ОЦД

В. Ф. СКВОРЦОВ, А. Ю. А РЛЯП О В

зуб (прошивку) 0,04...0,06 мм контактные давления возрастают, причем в тем большей степени, чем выше упрочняемость материала, и достигают очень высоких значений - 6...8 пределов текучести материала заготовки (рис.4...6). Еще более высокий уровень контактных давлений может быть обеспечен при уменьшении натяга на зуб до 0,01 мм (рис.7). Отметим, что эти данные в целом находятся в удовлетворительном соответствии с результатами экспериментальных исследований, приведенными в работе [1].

Цы, МПа

2800

2300

1800 1300 800

а - б

Рис.7. Зависимости средних контактных давлений от натяга при одноцикловом дорновании отверстий диаметром 3 мм (а) и 1,2 мм (б) в отожженных заготовках из сталей 20 и 45: о - сталь 20; о - сталь 45

Установленные закономерности изменения контактных давлений в зависимости от режима дорнования отверстий в заготовках с бесконечной толщиной стенок хорошо согласуются с результатами исследования шероховатости поверхности отверстий (рис.8). При одноцикловом дорновании отверстий с увеличением натяга (а) параметр шероховатости поверхности Ка сначала снижается, затем стабилизируется и даже несколько возрастает. При многоцикловом дорновании отверстий с увеличением суммарного натяга Еа параметр Е.а монотонно уменьшается и достигает весьма малых значений, которые оказываются (при а= Еа) примерно на порядок меньше, чем при одноцикловом дорновании. Так, после расточки отверстий диаметром 15 мм в заготовках из стали 45 параметр На в среднем составлял 3,95 мкм (рис.8а). После одноциклового дорнования с натягом 0,28 мм он снизился до 1,9 мкм. После многоциклового дорнования с таким же суммарным натягом к натягами на зуб 0,04...0,07 мм параметр Ка уменьшился до 0,28 мкм.

На, мкм

4,5

3

1,5

0

♦ А

г а ♦ / ^ ► г

♦ " ' _2

О 0,08 0,16 0,24 а,1а,мм.

На, мкм

1,5 1

0,5 0

1-

\ \ ° Ж-- 1 / ......._ ♦

__ 2 в"

0 0,08 0,16 0,24 а,1а,мм.

б

Рис.8. Зависимости параметра шероховатости К.а от натяга при дорновании отверстий диаметром 15 мм в заготовках из стали 45 (а) и меди М1 (б): 1 - ОЦД; 2 - МЦД

При дорновании отверстий малых диаметров, когда приходится ограничиваться применением однозубых прошивок, для обеспечения высокой точности и качества поверхно-

ДОРНОВАНИЕ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА В ЗАГОТОВКАХ С БЕСКОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНОК

сти отверстий при наибольшей производительности представляется целесообразным большую часть суммарного натяга переносить на первую прошивку. Тогда последующие прошивки будут работать с малыми натягами, что позволит обеспечить высокий уровень контактных' давлений и даст возможность .получить высокое качество обработанной поверхности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Розенберг А.М., Розенберг O.A. Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания. -Киев: Наукова думка, 1990. -320 с.

2. Скворцов В.Ф., Арляпов А.Ю., Брюханцев Е.С. Точность отверстий малых диаметров, обрабатываемых дорнованием твердосплавными прошивками в заготовках с бесконечной толщиной стенок. - В сб. «Механика и машиностроение». -Томский политехнический университет, Томск, 2000, с.24-27. ■ ■ '

3 . Г р у д е в А.П., Зильберг Ю.В., Тилик В . Т. Трение и смазки при обработке металлов давлением: Справочник. -М. Металлургия, 1982. -312 с.

. Томский политехнический университет

УДК621.787.4 . ... . .. .

В.ФШВОРЦОВ, А.Ю.АРЛЯПОВ, В.В.СКВОРЦОВ

ДОРНОВАНИЕ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА В ЗАГОТОВКАХ

€ БЕСКОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНОЙ СТЕНОК

Описана разработанная авторами технологическая оснастка для дорнования глубоких отверстий малого диаметра, рассмотрены особенности функционирования соответствующих технологических систем, приведены экспериментальные данные по качеству поверхностного слоя и точности отверстий.

К глубоким отверстиям малого диаметра (сМ...5 мм, Ш<1005 где 1 - глубина отверстия), имеющимся в некоторых деталях машин и приборов, предъявляются высокие требования по параметрам качества поверхностного слоя и точности. Обеспечение этих требований непосредственно при глубоком сверлении, электрохимическом или электроэрозионном прошивании является затруднительным. В связи с этим большой интерес представляет изучение возможностей отделочно-упрочняющей обработки таких отверстий дорнованием.

Приспособление и инструмент для дорнования отверстий

В основу конструкции приспособления (рисЛ) положена схема прошивания отверстия однозубой прошивкой, перемещаемой цилиндрическим толкателем, который поддерживается специальными направляющими. По сравнению с ранее созданной конструкцией [1, 2], это приспособление характеризуется гораздо более высокой производительностью и надежностью.