МЕТОД ПіДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТі МЕХАНіЧНОї ОБРОБКИ СПОЛУЧУВАНИХ ПОВЕРХОНЬ ДЕТАЛЕЙ іЗ ПОЛіМЕРНИХ КОМПОЗИТіВ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------□ □---------------------

У статті розглядається метод підвищення ефективності механічної обробки сполучуваних поверхонь з’єднуваних деталей машин, виготовлених із полімерного композитного матеріалу, який полягає у одночасній обробці охоплюваної та що охоплює поверхні з додержанням деяких законів механіки, що дозволяє компенсувати сили різання та крутні моменти, діючі на технологічну систему

Ключові слова: сполучувані поверхні, геометричні параметри, полімерні композитні матеріали, механічна обробка

□----------------------------------□

В статье рассматривается метод повышения эффективности механической обработки сопрягаемых поверхностей соединяемых деталей машин, изготовленных из полимерного композитного материала, который состоит в одновременной обработке охватываемой и охватывающей поверхности с соблюдением некоторых законов механики, что позволяет компенсировать силы резания и крутящие моменты, действующие на технологическую систему Ключевые слова: сопрягаемые поверхности, геометрические параметры, полимерные композитные материалы, механическая обработка ------------------□ □---------------------

УДК 678.029.001.2

МЕТОД ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ МЕХАНІЧНОЇ ОБРОБКИ СПОЛУЧУВАНИХ ПОВЕРХОНЬ ДЕТАЛЕЙ ІЗ ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИТІВ

А. П. Т арасюк

Доктор технічних наук, професор* E-mail: prorekt_ucheb@uipa.kharkov.ua В. В. Самчук Аспірант* E-mail: samchukvv1986@km.ru Ю. І. С и ч о в Кандидат технічних наук, доцент* Б. Г. Лях Доцент*

Кафедра металоріжучого обладнання і транспортних систем Українська інженерно-педагогічна академія вул. Університетська, 16, м. Харків, Україна, 61003

1. Вступ

В останнє десятиліття в багатьох країнах, а особливо в країнах СНД, великих обсягів досягло виробництво композитних матеріалів, серед яких особливе місце посідають композити на основі полімерних матеріалів, тому як вироби з ПКМ знаходять більш широке застосування в галузях народного господарства у сфері матеріального виробництва. Це тому, що ПКМ володіють значною кількістю переваг у порівнянні з металами та їх сплавами і, не дивлячись на збільшуючи обсяги їхнього застосування, особливо в авіації, космонавтиці та в будівництві, актуальною є проблема досягнення точності виготовлення сполучуваних поверхонь з’єднання як деталей з КМ між собою, так і з металевими деталями [1, 2].

2. Постановка проблеми

Усі штучні конструкції існують завдяки наявності функціональних зв’язків між їх елементами, що реалізуються у вигляді з’єднань. Різноманіття створюваного людиною матеріального світу, неозора кількість машин і механізмів, що постійно розширюють функціональні можливості конструкцій, а також розробка і впровадження нових перспективних матеріалів не дозволяють навіть у першому наближенні скласти

систематизований огляд усіх конструкторсько-технологічних рішень з’єднань деталей.

В загальному плані з’єднання виконують дві основні функції: фіксують взаємне положення елементів (деталей) системи і визначають характер їхньої взаємодії. Виходячи з цього, усі з’єднання можна розділити на два класи: рухомі, що забезпечують заданий характер переміщення однієї деталі щодо іншої і характеризуються видом взаємних допустимих переміщень, і числом ступенів волі; нерухомі, фіксують незмінне положення одних деталей щодо інших і призначені для передачі і розподілу зовнішніх і внутрішніх навантажень між елементами конструкції [2].

У залежності від пропонованих до механізму або машини експлуатаційних вимог усі з’єднання підрозділяються на два класи: рознімні, що допускають багаторазове зборку та розбирання агрегату; нероз’єм-ні, що характеризуються неможливістю розбирання конструкції без руйнування деталей або зв’язків між ними.

Точність геометричних параметрів деталей машин з ПКМ характеризуються точністю розмірів їх елементів, точністю форми, якості поверхонь та їх взаємне розташування, відхилення яких виникає у процесі обробки [3].

Насамперед у рухливих з’єднаннях ці відхилення призводять до зменшення зносостійкості поверхневого шару полімеру внаслідок підвищеного питомого

Е

© А. П. Тарасюк, В. В. Самчук, Ю. I. Сичов, Б. Г. Лян, 2013

тиску на виступах нерівностей та до порушення плавності ходу, що в комплексі викликає шум тощо.

У нерухомих з’єднаннях виробу з ПКМ відхилення форми і розташування поверхонь викликають нерівномірність натягу, внаслідок чого знижуються міцність з’єднання, герметичність і точність центрування тощо.

У зборках ці погрішності призводять до погрішностей базування деталей відносно одне до одного, деформаціям, нерівномірним зазорам, що викликає порушення нормальної роботи окремих вузлів і механізму в цілому; наприклад, підшипники ковзання дуже чутливі до відхилень форми і взаємного розташування посадкових поверхонь.

Відхилення форми і розташування поверхонь знижують технологічні показники виробів. Так, вони істотно впливають на точність і трудомісткість зборки, знижують точність виміру розмірів, впливають на точність базування деталі при виготовленні і контролі тощо.

3. Аналіз останніх досліджень і публікацій

Нині відомі методи механічної обробки сполучуваних поверхонь виробу, виготовленого із ПКМ, полягають у тому, що одночасно обробляють сполучувані поверхні з’єднуваних деталей, закріплених на одному шпинделі, зв’язаними між собою ріжучими інструментами з одним напрямком подачі уздовж утворюючої, причому кожну поверхню обробляють окремим ріжучим інструментом. Цей метод висвітлений у патенті на винахід [4] при виконанні обробки сполучуваних конічних поверхонь. Однак це виконання має низку недоліків, один з найважливіших яких полягає у А. тому, що кінематикою різання не передбачено компенсування сил різання, що діють на технологічну систему ВПІД (система ВПІД - верстат, пристосування, інструмент, деталь).

Так. у роботах [5 - 7] розглянуто один з методів зменшення вимушених коливань та пружних деформацій у технологічній системі механообробного устаткування, які в більшості викликані статичними та динамічними навантаженнями результуючою силою різання та запропоновано ряд корисних моделей практичного втіленню цього напрямку. Але недоліком висвітленого є те, що метод лише дозволяє виконувати одну технологічну операцію.

4. Постановка задачі

Кількісні показники геометричних параметрів виробу досягаються протягом усього робочого процесу, здійснюваного за допомогою вищезазначеної технологічної системи, що включає в себе засоби технологічного оснащення та заготовку.

З моменту початку механічної обробки заготовки, технологічна система діє, як багатофакторна автоматична система, яка знаходиться під впливом різних факторів. При цьому реакція технологічної системи приводить до порушення заданого режиму роботи процесу, і як наслідок, до відхилення геометричних параметрів оброблюваної заготовки.

До вхідних параметрів цієї системи можна віднести: характеристики обробного верстата (тип, модель, потужність, діапазон частот обертання і подач, точність, жорсткість, вібростійкість); характеристики технологічного оснащення (пристосувань, пристроїв механізації й автоматизації, промислових роботів); характеристики заготовки (матеріал, його хімічний склад, механічні властивості, погрішність розмірів, форми, взаємного розташування, якість поверхневого шару); технологічна схема обробки поверхонь; експлуатаційні властивості ріжучого інструмента, міцність, стійкість, розмірний знос; режими різання; початковий розмір налагодження.

До збурюючих впливів, які порушують початкові умови обробки, відносяться: пружні деформації елементів технологічної системи (ВПІД); розмірний знос ріжучого інструмента; теплові деформації елементів технологічної системи; погрішність установки заготовки; погрішність коректування первинного налагоджувального розміру; погрішність вимірів; погрішності профільного і мірного ріжучого інструмента; погрішність від перерозподілу внутрішніх залишкових напружень; коливання елементів технологічної системи.

Вихідними параметрами є: геометричні параметри виробу; продуктивність механічної обробки; економічні критерії процесу обробки.

До елементарних складових по відхиленню геометричних параметрів і якості поверхневого шару деталі із ПКМ при її механічній обробці впливає сукупність будь-яких з вище перерахованих параметрів (вхідних, збурюючих), що можна виразити в найбільш загальному вигляді наступною залежністю:

= f(є,ДY,А ,А,,А ,А ,,Дг,Д^Д ,Д ,Д ,ХДФ,ДЛ ,ДП р),

У ■ ‘ н‘ і" м‘ г.і ‘ ‘ ‘ гн ‘ зн‘ к‘ ‘ кол" стру"

де є - відхилення із-за погрішності установки заготовки; ДY - відхилення через пружні деформації елементів технологічної системи ВПІД; Дн - погрішність налагодження на розмір; Ді - відхилення, викликана зносом ріжучого інструмента; Дм - відхилення, викликані від фізико-механічних властивостей матеріалу (анізотропія матеріалу тощо); Дгі - відхилення, викликані від не раціонально призначених геометричних параметрів ріжучого інструмента; Дt - відхилення, викликані тепловими деформаціями елементів технологічної системи ВПІД; ДS - відхилення, внаслідок нераціонального режиму різання, Дгн - відхилення, викликані геометричними неточностями устаткування; Дзн - відхилення, викликані залишковими внутрішніми напруженнями; Дк - погрішність поточного й остаточного контролю (вимірів); ЕДФ - сумарна погрішність форми; Д кол - погрішності, обумовлені амплітудою коливань елементів у технологічній системі ВПІД; ДПстр -погрішність, викликана порушеннями нормального плину процесу різання.

Дві останні складові ДАкол і ДПстр визначають не тільки величину погрішності, але і взагалі можливість реалізації процесу різання з запроектованими технологічними параметрами [8 - 10].

Для більш інтенсивного зменшення результуючої погрішності формоутворення деталі звичайно досить цілеспрямовано змінювати, у першу чергу, будь-який один із вхідних або збурюючих параметрів, вплив яких

З

на точність у конкретній ситуації виявляється переважаючим.

На прикладі можна розглянути класичний метод створення гладкої циліндричної посадки, що необхідно за технологією, - підготувати сполучувану поверхню отвору втулки та вала (рис. 1).

Для підготовки отвору застосовують два основних метода обробки, які розрізняються тим, що обертання в процесі роботи виконує деталь або інструмент. Обертання деталі характерно для токарних груп верстатів, а розточувальний інструмент забезпечує тільки подовжню подачу (рис. 1, а).

Якщо склавши шість рівнянь рівноваги при виготовленні циліндричних посадок на верстаті токарної групи (рис. 1, а, б) ( XРх = 0 , XРу = 0 , XРг = 0 , X Мх = 0, X Му = 0, X Мг = 0 ), за умовою, що

Мвр = Мх,

де Мвр - крутний момент верстата; Мх - момент опору різанню, отримаємо: ХА = Рх ; YA = Ру ; Ък = Р2; Мвр = рг ■ ¿/2 = Мх; Му = Рг ^; Мг = Ру ■ L + Рх ■ сІ/2 .

б

Рис. 1. Виготовлення циліндричної посадки на верстаті токарної групи: а - розточування отвору втулки; б - обробка циліндричної поверхні вала

З цього очевидно, що сполучувана поверхня отвору після такої обробки може виявитись овальною, конічною, у тому разі якщо в конструкції інструмента не передбачені компенсуючи елементи, що забезпечують постійність співвісності інструмента і деталі.

При підготовці сполучуваної поверхні вала на токарному верстаті (рис. 1, б), можемо спостерігати поза-центровий стиск, викликаний силою Рх, та косий згин від сил Ру та Р2.

5. Основний матеріал

Для зменшення пружних переміщень в технологічній системі необхідно при конструюванні устаткування для механічної обробки сполучуваних поверхонь деталей із ПКМ дотримуватись:

1. Закону збереження руху центра мас. З теореми про рух центра мас механічної системи (mac = XFke ) можна одержати наступне:

- якщо сума зовнішніх сил, що діють на систему, дорівнює нулю (XF1e = 0 ), тоді прискорення центра мас дорівнює нулю ( Яс = 0) або Vc = const .

Отже, якщо сума всіх зовнішніх сил, що діють на систему, дорівнює нулю, то центр мас цієї системи рухається з постійною по модулю і напрямку швидкістю, тобто рівномірно і прямолінійно. Зокрема, якщо спочатку центр мас був у спокої, то він і залишиться в спокої. Дія внутрішніх сил, як ми бачимо, рух центра мас системи змінити не може.

- якщо сума зовнішніх сил, що діють на систему, не дорівнює нулю, але ці сили такі, що сума їхніх проекцій на яку-небудь вісь (наприклад, вісь Ox) дорівнює нулю ( XFjkx = 0 ), тоді з рівняння mXc = XF^ = 0, випливає, що Xc = 0 або Vcx = const.

Отже, якщо сума проекцій усіх діючих зовнішніх сил на яку-небудь вісь дорівнює нулю, то проекція швидкості центра мас системи на цю вісь є величина постійна. Зокрема, якщо в початковий момент Vcx = 0, то й у будь-який наступний момент Vcx = 0, тобто центр мас системи в цьому випадку уздовж вісі переміщатися не буде ( xc = const).

Усі ці результати виражають собою закон збереження руху центра мас системи.

2. Закон збереження кількості руху. Нехай сума всіх зовнішніх сил, що діють на систему, дорівнює

нулю X F1 = 0. Тоді з рівняння dQ = X Fk випливає, що

при цьому Q = const.

Таким чином, якщо сума всіх зовнішніх сил, що діють на систему, дорівнює нулю, то вектор кількості руху системи буде постійний по модулі і напрямку.

Нехай зовнішні сили, що діють на систему, такі, що сума їх проекцій на яку-небудь вісь (наприклад, Ox)

дорівнює нулю X Fkx = 0. Тоді з рівняння dQx =X F11,

dt

випливає, що при цьому Qx = const.

Таким чином, якщо сума проекцій усіх діючих зовнішніх сил на яку-небудь вісь дорівнює нулю, то проекція кількості руху системи на цю вісь є величина постійна.

3. Закон збереження кінетичного моменту системи. Якщо головний момент зовнішніх сил системи щодо деякого нерухомого центра O дорівнює нулю, тобто MO = 0 , то кінетичний момент системи К0 щодо цього центра залишається постійним по модулю і напрямку, тобто Ко = const.

Якщо сума моментів усіх зовнішніх сил системи щодо деякої нерухомої вісі Ox дорівнює нулю ( X Mx (Fxe ) = 0), то Kx = const.

Отже, кінетичний момент системи щодо будь-якої координатної вісі постійний, якщо сума моментів зовнішніх сил щодо цієї вісі дорівнює нулю, що, зокрема, спостерігається, коли зовнішні сили рівнобіжні, чи вісі перетинають її. В окремому випадку для тіла чи

.................................................Е

системи тіл, що усі разом можуть обертатися навколо нерухомої вісі, і якщо при цьому X Mz (Fze) = 0, то Kz = Jzffl = const або Jzffl = Jz0®0.

Застосовуючи ці закони механіки, виготовлювати гладкі циліндричні посадки з деталей машин із ПКМ можна у такий спосіб (рис. 2).

Вал обробляють дві ріжучі головки Р.г.1 та Р.г.2, які містять по чотири ріжучі елементи (різці), причому ріжучі головки обертаються в протилежні сторони відносно одна одної.

Отвір втулки обробляють ріжучі головки Р.г.3 та Р.г.4, які теж містять по чотири ріжучі елементи, причому ріжучі головки обертаються в протилежні сторони відносно одна одної.

Зауважимо, що для ріжучої головки Р.г.1 базуюча поверхонь є зовнішня поверхня ріжучої головки Р.г.4, а для Р.г.2 є зовнішня поверхня ріжучої головки Р.г.3.

Склавши шість рівнянь рівноваги, за умовою, що:

Мр.м = MP.r.2 = MP.r.3 = МР.г.4 = Мх ,

де Mp г j - крутний момент ріжучих головок, Нм; Mx -момент опору різанню;

їр.г.1 _ Vr.2 _ !р.г.3 _ Vr.4 _ const, де I j - момент інерції ріжучих головок, кг • м2;

Рис. 2. Розрахункова схема механічної обробки сполучуваних поверхонь деталей (вал, втулка) із ПКМ при виготовленні циліндричної посадки

Юр.г.1 ®р.г.2 ®р.г.3 ®р.г.4

де юр г; - кутова швидкість ріжучих головок, рад/с;

тр.г.1 = Тр.г. 2 = Тр.г.3 = Тр.г.4 = COnSt,

де т л - маса ріжучих головок, кг;

Sвaл = Sвтyлкa = СОП^ ,

де Sвaл , $втулка - подача вала та відповідно втулки, мм/об;

Чвал = втулка = COnSt,

де Vвaл , Vвтyлкa - швидкість різання вала та відповідно втулки, (м/хв), отримаємо, що реакції та крутні моменти в опорі А дорівнюють: ХА = 0 ; УА = 0 ; = 0; Мх = 0;

Му=0; Mz=0.

Як ми бачимо, що усі зусилля прирівнюються до нуля, що дає можливість зменшити пружні переміщення в загальній технологічній системі ВПІД. Також втулка та вал не потребують великих зусиль затиску у затискному пристосуванні (крутні моменти діючі на заготовки урівноважуються, але є необхідність в упорі вздовж осі х), що дозволяє обробляти тонкостінні заготовки з ПКМ.

Також можна розглянути пристрій для одночасного нарізання внутрішньої та зовнішньої різьби (рис. 3), який працює наступним чином. З обертанням приводного конічного колеса 7, приводить до обертального руху плашку 4 та мітчик 9, які обертаються в різні сторони відносно один від одного. Після чого до них одночасно подаються в осьовому напрямку стрижень 11 до плашки 4 і заготовка з отвором 12 до мітчика 9 та на протязі двох-трьох перших обертів початкові виткі ріжучих частин плашки 4 та мітчика 9 починають нарізати різь (рис. 3) [11].

Після нарізання різьбі, приводне конічне колесо 7 починає обертатись в протилежну сторону, чим сприяє викручуванні деталей 13, 14 (рис. 3).

в

Рис. 3. Пристрій для одночасного нарізання внутрішньої та зовнішньої різьби: а - до роботи; б - у мить нарізанні різьби; в - після нарізання різьби

Завдяки тому, що плашка 5 та мітчик 9 мають одну установчу базову поверхню вісі 2 і при їх протилежному обертанні відносно один від одного, то їх радіальні коливання компенсуються, чим покращується якість нарізаних витків різьби.

З

Використання запропонованого пристрою для одночасного нарізання внутрішньої та зовнішньої різьби дозволить підвищити продуктивність праці, завдяки одночасному виготовленню зовнішньої та внутрішньої різьби з’єднуваних деталей та якість нарізаних витків [11].

5. Висновок

Отже, метод механічної обробки сполучуваних поверхонь з’єднуваних деталей машин, виготовлених із полімерних композитних матеріалів, який

полягає у одночасній обробці охоплюваної та що охоплює поверхні з урахуванням закону збереження руху центра мас, закону збереження кількості руху та закону збереження кінетичного моменту системи, що дозволяє компенсувати сили різання, що зменшує пружні переміщення в технологічній системі ВПІД та підвищити ефективність (продуктивність, точність та якість поверхонь тощо) механічної обробки.

Також запропонована конструкція пристрою для одночасного нарізання внутрішньої та зовнішньої різьби, робота якого передбачена з дотриманням деяких вищезазначених законів механіки.

Література

1. Производство изделий из полимерных материалов [Текст]: Учеб. Пособие / В. K. Хрыжановский, М. Л. Хербер, В. В. Бур-лов, А. Д. Паниматчеснко. - СПб: Профессия, 2OO4. - 464с.

2. ^рпов, Я. С. Соединения деталей и агрегатов их композиционных материалов [Текст] / Я. С. ^р^в. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2OO6. - 359с.

3. Степанов, А. А. Обработка резанием высокопрочных полимерных композитов [Текст] / А. А. Степанов. - Л.: Машиностроение, Ленинград, 1987. - 176с.

4. Способ обработки сопрягаемых конических поверхностей [Текст]: пат. RU 2O22721 С1 Рос. Федерация: MПK В2ЗВ 5/38 / А. М. Мелай, А. С. Ямников; заявитель и патентообладатель Тульский государственный технический университет; заявл. 17.1O1991; Опуб. 15.11.1994. - 2с.

5. Сичов, ЮЛ. Розробка безвібраційних обробних комплексів [Текст] / Ю. I. Сичов, А. П. Тарасюк, Б. Г. Лях, В. В. Самчук // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2O11. - T. З, № 7(51). - С. 46-49.

6. Сичов, Ю. I. Пристрій для безвібраційної обробки отворів [Текст] / Ю. I. Сичов, А. П. Тарасюк, В. В. Самчук, Б. Г. Лях, I. С. Аракелян // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2O11. - T. 6, № 7(54). - С. 33-35.

7. Сичов, ЮЛ. Пристрій для обробки кінців труб [Текст] / Ю. I. Сичов, А. П. Тарасюк, Б. Г. Лях, В. I. Неко, В. В. Самчук // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2O1O. - T. 5, N 5(47). - С. 24-29.

8. Davim, J. Paulo. Machining: fundamentals and recent advances. Springer-Verlag London Limited [Te,t] / J. Paulo Davim. -2OO8. - З68с.

9. Klode, F. Milling of Advanced Composites, in Machining of Ceramics and Composites [Te,t] / F. Klode, W. Konig, S. Rumm-enholler, C. Wurt2, S. Jahanmir, M. Ramulu, P. Koshy // Marcel Detter Inc. - 1999. - рp. 249-265.

10. Teti, R. Machining of composite materials [Te,t] / R. Teti // Annals of the CIRP, 2OO2. - vol. 51/2. - рp. 611-634.

11. Патент України на корисну модель UA 75955 U від 25.12.2O12., бюл. № 24. MПK B23G 1/OO, B23G 5/OO. Пристрій для одночасного нарізання внутрішньої та зовнішньої різьби [Текст] / Ю. I. Сичов, А. П. Тарасюк, В. В. Самчук, Б. Г. Лях, Аракелян I. С.

Е