CC BY
30
УДК 621.9.011
О ВЛИЯНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПРИ ЧЕРНОВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
А.Е.Пашков1, А.В.Воинов2, А.С.Вяткин3, Ю.С.Тараканова4
1,4Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, Институт авиамашиностроения и транспорта, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2,3ИАЗ - филиала ОАО "Научно-производственной корпорации "Иркут", 664020, г. Иркутск, ул. Новаторов, 3.
Проводится анализ причин отрыва закаленной плиты от вакуумного стола при черновом фрезеровании с целью получения технологических баз и предварительной разгрузки плит. Рассматриваются силовые факторы, действующие на заготовку при фрезеровании на вакуумном столе, и производится оценка влияния каждого фактора. Предлагаются меры по предотвращению отрыва заготовок от вакуумных столов. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: остаточные напряжения; эпюра термических остаточных напряжений; фрезерование с закреплением на вакуумном столе.
ON THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL HEREDITY WHEN LARGE PARTS ROUGH MILLING A.E. Pashkov, A.V. Voinov, A.S. Vyatkin, Y.S. Tarakanova
National Research Irkutsk State Technical University,
Institute of Air Machine-Building and Transport,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
IAZ - branch of pic "Scientific-Production Corporation "Irkut",
3, Novatorov St., Irkutsk, 664020.
The article carries out the analysis of the causes of the hardened plate separation from the vacuum table under the rough milling in order to obtain technological bases and pre-unloading of plates. The force factors influencing a workpiece when milling on the vacuum table are examined. The assessment of each factor impact is performed. The measures to prevent the workpiece separation from the vacuum tables are proposed. 2 sources.
Key words: residual stresses; diagram of thermal residual stresses; milling with fastening on a vacuum table.
Как известно, одним из проявлений технологической наследственности является искажение формы листовых и подкрепленных деталей каркаса летательных аппаратов, фрезеруемых из термически обработанных плит высокопрочных алюминиевых сплавов. При обработке технологических баз и предварительной разгрузке плиты может произойти отрыв заготовки от вакуумного стола и, как следствие, повреждение режущего инструмента и рабочих органов станка. Для анализа причин этого явления рассмотрим силовые факторы, действующие на заготовку при фрезеровании на вакуумном столе.
Стационарная нагрузка ^ , прижимающая заготовку к вакуумному столу, включает две составляющие: удельную нагрузку , создаваемую системой
отсоса воздуха, и нагрузку , обусловленную соб-
ственным весом заготовки, т.е. q = qв + .
Согласно ГОСТ 17232-79 заготовка может иметь отклонение от плоскостности до 5 мм на базе одного метра. При закреплении такой заготовки возникает упругая деформация изгиба, которая приводит к появлению соответствующих напряжений.
Внутренние силовые факторы, действующие на заготовку в процессе фрезерования, обусловлены двумя причинами: нарушением равновесия эпюры термических остаточных напряжений при удалении припуска и остаточными напряжениями, возникающими вследствие резания.
Таким образом, сохранение неизменности положения заготовки обеспечивается при выполнении условия
Мпр > Мфр , (1)
1 Пашков Андрей Евгеньевич, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405148.
Pashkov Andrey, Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel. (3952) 405148.
2Воинов Александр Владимирович, заместитель главного технолога, тел.: 89025150504.
Voinov Alexander, Deputy chief production engineer, tel.: 89025150504.
3Вяткин Антон Сергеевич, инженер по метрологии, тел.: 89025143159.
Vyatkin Anton, Engineer for Metrology, tel.: 89025143159.
"Тараканова Юлия Сергеевна, инженер кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405742, 89500832655.
Tarakanova Yuliya, Engineer of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405742, 89500832655.
где М пв - изгибающий момент, прижимающий плиту к вакуумному столу; мфр - изгибающий момент, действующий при фрезеровании:
Мфр = МзаКр + Мтон + МРз ■ (2)
Здесь мзакр - изгибающий момент, возникающий в связи с распрямлением заготовки, имеющей остаточную кривизну; Мгоя - изгибающий момент, обусловленный нарушением равновесия эпюры термических остаточных напряжений при удалении припуска;
м - изгибающий момент, обусловленный действием остаточных напряжений от процесса резания. В выражениях (1) и (2) положительным считаем момент, вызывающий поворот сечений заготовки против часовой стрелки.
Анализ влияния перечисленных факторов выполним на примере конкретного случая отрыва плиты из алюминиевого сплава марки В95пчТ2 размерами 3500х1600х35 мм от вакуумного стола фрезерного станка с ЧПУ (рис. 1).
Согласно предварительным измерениям отклонения от плоскостности исследуемая плита соответствовала техническим требованиям ГОСТ 17232-79. Отклонения на базе 1000 мм не превышали 3 мм при допустимых 5 мм. Дополнительные измерения стрелы прогиба поверхности плиты на базе 200 мм с шагом 350 мм при помощи индикаторной планки показали, что плита имела локальные отклонения от плоскостности в виде знакопеременного остаточного прогиба
Г = 4,0
рован остаточный прогиб (/ = 0,18 мм) на обработанной стороне заготовки. Это является подтверждением того, что при закреплении плиты в крайних сечениях имела место упругая деформация изгиба, величину которой можно оценить по величине стрелы остаточного прогиба на обработанной стороне.
Величина измеренного прогиба / была использована в расчете изгибающего момента М , возникающего при закреплении заготовки:
Мзакр =2ЕКупр (Ит-г)%//3а2, (3)
где Е - модуль упругости первого рода, для сплава В95 Е = 72000 МПа; купр - коэффициент вида НДС,
характеризующий отличие зависимости между компонентами напряжений и деформаций в рассматриваемом направлении при сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС) от зависимости, отвечающей одноосному НДС в области упругих деформаций, при котором купр = 1. При одноосном
изгибе пластин купр = 1,125; 1упр - длина участка плиты, упругодеформированного при закреплении; / - стрела остаточного прогиба заготовки; а - база измерения стрелы прогиба, а = 200 мм.
Расчет по формуле (3) дал следующий результат: Мзакр = 10358 Нм.
/ г = 0
Х
1100
2-у
Положение образца для определения термических остаточных
напряжений
оложение фрезы в момент отрыва
г = 1,0
Линия разрезки плиты
Точка измерения стрелы прогиба
У
Рис. 1. Схема удаления припуска с плиты и вырезки образцов для определения остаточных напряжений
как в продольном, так и в поперечном направлениях (рис. 2). При этом наибольшие отклонения имели место с левой стороны - именно в той области, где произошел отрыв заготовки. В этой же области зафикси-
Схема к расчету внутренних силовых факторов, действующих на заготовку при фрезеровании, приведена на рис. 3.
Рис. 2. Результаты измерения стрелы продольного прогиба по середине заготовки с необработанной
и обработанной сторон
Для определения изгибающего момента Мгоя,
обусловленного нарушением равновесия эпюры термических остаточных напряжений при удалении припуска, использовали методику, приведенную в [1]. Из исследуемой плиты произвели вырезку образцов с размерами в плане 250x35 мм (см. рис. 2). Вырезка образцов осуществлялась на установке для во-доабразивной резки ТС WS-4000. Каждый из образцов был разрезан на две равные части по срединной плоскости плиты, которые были измерены на наличие остаточного прогиба. Поверхностные закалочные
_пое г-
остаточные напряжения оТоб в образцах определили по формуле
<пое _ 1 4ЕИпл /т
То6 (1 -)) 3а2 Нш - г'
где у - коэффициент Пуассона, в упругой области у = 0,33; Нпл - толщина плиты, мм; г - ширина реза, мм;
/ - средний прогиб частей разрезанного образца,
мм,
/т (/обе ^ /обн )/2 .
Поверхностные закалочные остаточные напряже-
_пое
ния <7Тпл в плите нашли как
ных напряжений в плите
пое
Т„ПУ. = 112,24 МПа; <„„„ = 144,80 МПа.
Т плх ' Т плу '
Для упрощения дальнейших расчетов компоненты остаточного напряженного состояния плиты были приняты одинаковыми:
_пое /_пое . _п
< = (+ <
Тпл \ Тплх т
' Тплу )/2 = 128,52 МПа.
Распределение термических остаточных напряжений в закалённой плите в системе координат с началом на поверхности заготовки описывается известным параболическим уравнением
6 , 6
•Т]
= <т (
и ,2
2 -
И
+1),
(5)
где <т - термические остаточные напряжения на поверхности плиты (см. рис. 3).
После удаления с плиты припуска ^ и переноса начала координат на обработанную поверхность формула (5) примет вид
6-( 2 + , )22 + t)
обр пое
<т = <т
и 2
И.
1
(6)
Тпл]
1 -)
+)<Т°бк), У;к = х;у. (4)
В результате расчета по формуле (4) получили следующие значения компонент закалочных остаточ-
Уравнение (6) описывает распределение неуравновешенных по сечению остаточных напряжений
<0бр в обработанной заготовке толщиной Иот -1,
закреплённой на вакуумном столе.
Удельный (на единицу длины) изгибающий момент Муон , обусловленный нарушением равновесия
Рис. 3. Силовые факторы, действующие на заготовку при фрезеровании с закреплением на вакуумном столе
1
эпюры термических остаточных напряжений при удалении припуска, определяется следующим уравнением:
—т —t тт и.
щдон = J (- z)dz, (7) 0 2
где t - припуск, удаляемый при фрезеровании заготовки.
Интегрирование (7) с учетом (6) даёт выражение
(-л - t)31
Мтон = М?дн1фр,
муд =_
МТОН ~тт2 ■
2Н пл
Изгибающий момент Мтон., возникающий при
удалении фрезерованием припуска t с участка поверхности плиты, определили как
(8)
где ^ - длина обработанного участка.
Расчет по формуле (8) дал следующий результат:
Мгоя = 5987 Нм .
В связи с тем что задача аналитического определения остаточных напряжений, возникающих при фрезеровании, на сегодняшний день не имеет полного решения, для нахождения изгибающего момента
мрез, обусловленного этими напряжениями, была
использована методика, предложенная в [2]. Согласно этой методике производилась обработка образцов, вырезанных из заготовки в направлении осей X и У (см. рис. 1) и определялись компоненты изгиба и относительной деформации растяжения-сжатия, обусловленные фрезерованием. Толщина исследуемых образцов составляла
= t + 3 мм,
где t - припуск, удаляемый с заготовки в момент отрыва.
Обработка образцов заключалась в их фрезеровании с применением инструмента, режимов резания и с моделированием траекторий перемещения инструмента, использованных при обработке плиты в момент ее отрыва. При фрезеровании с образца снимали припуск, удаляемый с плиты в момент отрыва.
После обработки образцов производилось измерение их удлинения и стрелы прогиба на базе 200 мм при помощи индикаторных приспособлений. Результаты измерений приведены в таблице.
Для дальнейших расчетов использовали наибольшее значение стрелы прогиба.
Расчет удельной растягивающей силы Роб , дей-
об
ствующей на образец, и координаты точки ее
приложения определяли с использованием формул, полученных для линейного распределения остаточных напряжений [2]:
об _ Ноб
2 f
(
об
3 Е
н
V
об
V Lоб
Роб = ЕНобЕоб ,
(9)
(10)
об
где 2с - расстояние от обработанной поверхности до точки приложения силы Роб ; /об - стрела прогиба образца; еоб- относительное удлинение образца,
=А1об / 4б; Ноб, кб - толщина и длина образца.
В результате расчета по формулам (9) и (10) были получены значения:
zоб = 3,2-10-3 м, Р^ = 210,6 кН/м.
Удельный изгибающий момент Мурю, действующий на заготовку в связи с ее фрезерной обработкой, был найден следующим образом: 'Я
Mуд = Р, |
рез об |
■- z„
= 56,78 Нм.
Результаты измерения образц ов
Наименование Обозначение Ед. измерения Результат измерения
Стрела прогиба f J tDdx мм 0,08
fо6У мм 0,05
Относительное удлинение sT II - 0,00045
Изгибающий момент Мрез, действующий на обработанный участок заготовки длиной ^ , определили как
Мре.3 = М%р = 62,46Нм.
Таким образом, в процессе фрезерования с закреплением на вакуумном столе на заготовку действует суммарный изгибающий момент мфр, который согласно (2) составляет
Мфр = 5987+10358-62=16283 Нм.
Удельную (на единицу длины) нагрузку дв , действующую на заготовку со стороны вакуумного стола, вычисляли по формуле
Чв = К (Ртм - Рв жл / Ь'т , (11)
где Кг - коэффициент герметичности, Кг = 0,8...0,85; Ратм - атмосферное давление, при расчете принято Ратм = 0,1 МПа; Рв - давление, создаваемое системой отсоса воздуха, Р = 0,8 бар = 0,08 МПа; - площадь вакуумного стола для закрепления плиты; Ь'т, Б'т - длина и ширина области плиты, находящейся под воздействием вакуума. Учитывая, что размер ячейки вакуумного стола станка Сап-
try CS 650/200 Т5 составляет 42 мм, а расстояние между ячейками - 7,5 мм, нашли значения: L'm =
3457,5 мм, B' = 1576,5 мм.
1 1 пл 1
При расчете по формуле (11) получили qe = 25310,4 Н/м.
Удельную массовую нагрузку qm для заготовки
прямоугольного сечения определяли при помощи зависимости
qm = mm / Lm = BmHZpg, (12)
где HCP - средняя по результатам замеров толщина
плиты, h ср = 34,904 мм; д - ускорение свободного
падения; р - плотность материала плиты, р = 2,85 т/м3.
Расчет по формуле (13) дал следующий результат:
qm = 1559 Н/м.
Таким образом, удельная нагрузка, прижимающая плиту к вакуумному столу, составляет
qnp = qe + qm = 26869,4н/м.
Изгибающий момент мпр, прижимающий обработанный участок плиты к вакуумному столу, определяется зависимостью
М = q 12 /2
пр J пр фр
и составляет
MV = 16256 Нм.
Подставляя найденные значения изгибающих моментов, действующих на заготовку при черновом фрезеровании, в выражение (1), получаем следующий результат:
мфр > мпр,
т.е. условие неизменности положения заготовки при фрезеровании на вакуумном столе не выполнено.
Близкие расчетные значения мпр = 16256 Нм и Mt
= 16283 Нм свидетельствуют о том, что отрыв заготовки от вакуумного стола в рассматриваемом случае произошел вследствие совокупного действия вышеперечисленных силовых факторов.
На основании приведенного выше анализа можно заключить следующее.
Из трех рассмотренных факторов проявления технологической наследственности при черновой обработке наибольший вес (63,6%) в рассмотренном случае имеет остаточная кривизна заготовки, образовавшаяся, очевидно, в ходе металлургического цикла. Влияние перераспределения термических остаточных напряжений также достаточно существенно и составляет 36,7%. Влиянием остаточных напряжений, обусловленных процессом резания (0,4%), можно пренебречь.
В качестве рекомендаций, направленных на предотвращение отрыва заготовок от вакуумных столов, можно предложить принятие следующих мер.
1) Введение дополнительного механического закрепления краев заготовки.
2) Включение в технологический процесс изготовления крупногабаритных деталей из термически упрочненных плит дополнительных контрольных операций по выявлению отклонения заготовок от плоскостности и правильных операций по устранению остаточной кривизны перед черновым фрезерованием.
3) Разработка и внедрение методов входного не-разрушающего контроля термических остаточных напряжений в закаленных плитах с разработкой методики оценки возможного коробления и технологических рекомендаций по его снижению.
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках комплексного проекта «Разработка и внедрение комплекса высокоэффективных технологий проектирования, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолета МС-21», шифр 2010-218-02-312.
фр
Библиографический список
1. Каргапольцев С.К., Ботвенко С.И. Термические остаточ-
ные напряжения в заготовках призматической формы // Тех-
нологическое и инструментальное обеспечение механообработки: сб. научн. тр. Иркутск: ИПИ, 1993. С. 9-12.
2. Замащиков Ю.И. Об исследовании на образцах начальных и остаточных напряжений в поверхностном слое // Механика деформируемых сред в технологических процессах: сб. научн. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. С. 44-48.
