CC BY
9
УДК 658.512.2
МЕТОДИКА УЧЕТА ИЗМЕНЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ТИПА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ УЗЛОВ ПРИ СИЛОВЫХ И ТЕПЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЯХ ПУТЕМ ПРЕДЫСКАЖЕНИЯ КРОМОК И ИХ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ
В. Б. Масягин1, Д. А. Оськин2, Р. Л. Артюх1
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2НПО «Атлант», г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-106-108
Аннотация — Из-за силовых и температурных деформаций идеальная форма деталей после механической обработки не является идеальной после сборки и при эксплуатации высокоточных узлов. Для обеспечения идеальной формы деталей при эксплуатации предлагается метод создания заведомо неидеальной формы поверхностей детали, которая после сборки и в условиях эксплуатации становится идеальной. Вводится допущение, что детали в машине или узле контактируют не по поверхностям, а по кромкам. Требуется определить изменение теоретических параметров кромок, во-первых после сборки, во-вторых, в условиях эксплуатации. Особое значение имеют кромки, между которыми задан зазор. Если взять полученные изменения теоретических параметров кромок с обратным знаком, то получим величины предыскажений кромок и их взаимного расположения, которые необходимо реализовать на этапе механической обработки деталей. По теоретическим параметрам кромок, которые требуется обеспечить, рассчитываются измеряемые параметры, которые реализуются при обработке деталей с применением специального приспособления для управляемой выверки. Предлагаемая методика обеспечит получение идеальной формы поверхностей деталей после сборки в условиях эксплуатации.
Ключевые слова: точность, модель, выверка.
I. Введение
Узлы и детали высокоточных вращающихся узлов, например, роторных машин, при сборке и в рабочих условиях подвергаются воздействиям силовых факторов и перепадов температур, в результате чего возникают деформации, влияющие на работоспособность подшипников и других узлов и деталей. Получается, что идеальная форма деталей после механической обработки не является идеальной после сборки и при эксплуатации узлов [1, 2].
Для того, чтобы поверхности были идеальными в условиях эксплуатации, можно предложить следующий метод: необходимо заранее стремиться получить такую заведомо неидеальную форму поверхностей детали и отклонения их расположения, чтобы после сборки и в условиях эксплуатации эта форма и расположение стали идеальными под действием силовых и температурных деформаций.
Данная проблема относится к проблеме целенаправленного макропрофилирования, в частности, заданным предыскажением формы поверхностей и их взаимного расположения [2].
При решении данной проблемы предлагается отказаться от использования комплексных характеристик точности (отклонений от прямолинейности, плоскостности, круглости, и т. д.), так как они не позволяют однозначно описать форму и взаимное расположение поверхностей при введении предыскажений.
Существует аналитическое [3, 4] представление реального контура детали в продольном и поперечном сечении при помощи ряда Фурье.
Для деталей типа тел вращения может быть использован аналогичный подход [5] - описание кромок - линий пересечения цилиндрических и плоских поверхностей, а сами поверхности считаются образованными прямолинейными образующими, скользящими по ребрам параллельно оси вращения. Кромки могут быть получены не только пересечением реальных поверхностей, но и пересечением реальной поверхности воображаемой плоскостью, перпендикулярной оси детали и наоборот, что совпадает с аналитическим описанием поперечного сечения в [4].
Кромки - это теоретические объекты, которые описываются уравнениями с теоретическими и измеряемыми параметрами [6, 7]. Важное свойство кромки в том, что кромка - теоретически применимый элемент с точки зрения обеспечения определенности положения детали в пространстве, то есть с точки зрения лишения детали шести степеней свободы. Отсюда следует, что если определить взаимное положение кромок детали математически строго точными соотношениями, то по известному положению в пространстве одной кромки детали однозначно определяется положение любой другой кромки. И не только кромки готовой детали, но и любой кромки исходной заготовки и заготовки на любой операции механической обработки, и любой кромки деталей при и после сборки в узле и в условиях эксплуатации, поскольку при установке детали базовая кромка лишает заготовку шести степеней свободы, то есть фиксирует положение кромок обрабатываемых поверхностей относительно кромок необрабатываемых поверхностей или кромок устанавливаемой детали относительно базовой детали.
II. Постановка задачи
Для упрощения физической картины вводим допущение, что детали в машине или узле контактируют по кромкам, а кромки представляют собой окружности идеальной формы. В реальном узле это достигается специальной обработкой поверхностей детали, например, введением «поднутрения» и конусности.
При силовых и тепловых деформациях в общем случае изменяются все теоретические параметры кромок отдельных деталей и кромок всей машины [2]. Требуется определить изменение теоретических параметров кромок, во-первых, после сборки, во-вторых, в условиях эксплуатации. Особое значение имеют кромки, между которыми задан зазор.
Если взять полученные изменения теоретических параметров кромок с обратным знаком, то получим величины предыскажений кромок и их взаимного расположения, которые необходимо реализовать на этапе механической обработки деталей.
III. Теория
Примем допущение, что могут изменяться только некоторые из теоретических параметров кромок: радиус кромки R,, и расстояния между кромками Sp (вследствие осесимметричной формы деталей и осесимметричного приложения сил и температур).
Тогда задача сводится к определению изменений радиуса AR,- и изменений расстояний между кромками ASp.
Определение данных изменений радиуса и изменений расстояний между кромками можно провести решением задачи теории упругости и теплопроводности, например, по методу конечных элементов. После определения изменений AR, и ASp получим новые значения теоретических параметров кромок R' = R, + AR,, Sp' = Sp + ASp. Подставляя новые значения теоретических параметров в уравнения кромок и расстояний между кромками можно найти величину зазора между двумя частями машины.
Следует обратить внимание на то, что, по всей видимости, следует рассмотреть все контакты различных деталей деталей, поскольку изменение радиусов приводит к изменению наклона и эксцентриситета соединяемых деталей. И один из путей определения результирующих изменений теоретических параметров - определение величин AR , и ASp для всех соединяемых деталей, определение новых значений R' и Sp', для всех деталей, и осуществление воображаемой сборки деталей с этими новыми значениями теоретических параметров. После сборки мы получим новые значения теоретических параметров кромок двух частей машины, между которыми задан зазор.
Результаты расчетов изменения теоретических параметров кромок после сборки и в условиях эксплуатации используются при введении предыскажения кромок и их расположения для деталей при механической обработке.
Эти результаты - новые теоретические параметры всех кромок всех деталей, в том числе кромок, между которыми задан зазор. Определяются изменения этих параметров AR, AS, AE (изменение эксцентриситета кромки), AФ (изменение наклона кромки), A<< (изменение угла направления эксцентриситета кромки), A<< (изменение угла направления наклона кромки) по отношению к требуемым значениям (обычно нулевое значение E и Ф). Если взять эти величины с обратным знаком, то получим величины предыскажений кромок. Будем добиваться предыскажений кромок этих деталей, между которыми задан зазор. Но значения параметров будут зависеть и от нового положения кромок деталей, которыми присоединяются детали с предыскажаемыми кромками. Поэтому определяем новые значения параметров кромок, к которым присоединяется деталь с предыскажаемы-ми кромками к остальным деталям.
Таким образом, мы имеем следующие данные:
1) новые теоретические параметры кромок детали, которую будем предыскажать, полученные после ее силовых и тепловых деформаций (относительно какой-либо оси);
2) новые теоретические параметры кромок детали после сборки (новая ось).
Предполагая, что кромки, которыми предыскажаемая деталь соединяется с другими деталями, не будет предыскажаться, но вместе с кромками, которые будут предыскажаться, испытали изменения AR и AS, получим требуемые значения теоретических параметров кромок.
Это будут значения теоретических параметров R и S до деформации и все остальные параметры для кромок, которыми предыскажаемая деталь присоединяется к другим деталям, причем для той оси, которую они имеют после сборки (новая ось). А для предыскажаемых кромок с заданными параметрами после деформации, для того же положения оси, вводим поправки AR, AS, AE, A<e, AФ, A<<,, с обратным знаком.
В результате получаем все теоретические параметры, которые необходимо обеспечить. Вычитаем поправки AR, AS для всех кромок (для возврата к недеформированному состоянию).
По теоретическим параметрам кромок, которые требуется обеспечить, рассчитываются измеряемые параметры, которые реализуются при обработке деталей с применением специального приспособления для управляемой выверки.
IV. Обсуждение результатов
В статье дано конкретное теоретическое решение проблемы обеспечения точности поверхностей деталей высокоточных узлов и их взаимного расположения после сборки в условиях эксплуатации на основе применения кромочной модели детали. Данное решение впервые дает возможность управлять формой и взаимным расположением деталей узла в условиях эксплуатации. Намечен способ обеспечения заданных мест контакта меж-
ду деталями по кромкам за счет искусственного изменения формы поверхностей («поднутрение» и конусность). Предложен метод управляемой выверки для обеспечения заданных теоретических параметров кромок. Для полной реализации метода необходимо сопряжение с программами расчета силовых и тепловых деформаций, а также разработка программного обеспечения для выполнения расчетов вследствие необходимости определения параметров большого числа кромок деталей, входящих в узел. Необходимо также обеспечить сопряжение разработанной методики с методикой размерного анализа конструкций и технологических процессов. Потребуется разработка специальной методики фиксации на чертеже детали требуемых параметров предыскажения. Все это говорит о там, что предлагаемая методика на данной стадии реализации может быть принята только в качестве опытно-исследовательской, требующей экспериментальной проверки.
Выводы и заключение
Предлагаемая методика теоретически обеспечивает возможность получения идеальной формы поверхностей деталей и их взаимного расположения после сборки и в условиях эксплуатации. Это позволит повысить эксплуатационные свойства высокоточных узлов.
Список литературы
1. Дальский А. М., Кулешова З. Г. Сборки высокоточных соединений в машиностроении. М.: Машиностроение, 1988. 302 с.
2. Масягин В. Б. Технологическое обеспечение точности узлов из осесимметричных деталей с учетом тепловых и других эксплуатационных деформаций // Проблемы машиностроения и металлообработки: сб. тр.; под ред. В. А. Наумова и В. В. Евстифеева. Омск: ОмПИ, 1992. С. 92-94.
3. Якушев А. И., Воронцов Л. Я., Федотов Н. М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1986. 352 с.
4. Ляндон Ю. Н. Функциональная взаимозаменяемость в машиностроении. М.: Машиностроение, 1967. 219 с.
5. Масягин В. Б., Выговский В. Ф. Размерный анализ конструкции машины (при осесимметричной форме деталей) и технологии ее изготовления // Известия вузов. Машиностроение. 1988. № 3. С. 102-106.
6. Масягин В. Б. Развитие размерного анализа на основе применения кромочной модели деталей типа тел вращения // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. 2009. № 3(83). С. 52-56.
7. Масягин В. Б., Мухолзоев А. В. Особенности применения понятия кромки при размерном анализе // Современные проблемы теории машин / НОЦ "МС". Норт-Чарлстон: GreateSpace, 2016. № 4(1). С. 172-175.
УДК 621.787
ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОРЕЛЬЕФА СТАЛИ 12Х18Н10Т ПОСЛЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАРКЕРОВ
А. А. Федоров, Д. А. Полонянкин, А. И. Блесман, Д. В. Постников
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-108-113
Аннотация - В статье рассматривается влияние микроструктуры аустенитной нержавеющей стали на регулярность микрорельефа деталей, сформированного методом ультразвуковой упрочняющей обработки на предварительно подготовленных точением (Ra = 2,15 мкм) и шлифованием (Ra = 0,36 мкм) поверхностях образцов. Применение разработанной методики исследования влияния микроструктуры на локальную нерегулярность микрорельефа стали 12Х18Н10Т позволило установить отсутствие существенного влияния двойников и границ зерен аустенитной стали на формирование нерегулярного микрорельефа. Наиболее вероятными причинами образования областей с нерегулярным микрорельефом можно считать конструктивные особенности динамического технологического модуля и качество подготовки исходной поверхности перед ультразвуковой упрочняющей обработкой.
Ключевые слова: ультразвуковая упрочняющая обработка, регулярный микрорельеф, аустенитная нержавеющая сталь, маркер
I. Введение
Ультразвуковая упрочняющая обработка (УУО) является одним из эффективных методов повышения прочности и износостойкости тяжелонагруженных поверхностей трения за счет создания на обработанной поверхности регулярного микрорельефа (текстурирования поверхности микроямочками), нанокристаллизации приповерхностного слоя и создания остаточных напряжений сжатия, положительно влияющих на усталостную прочность.
