CC BY
29
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru УДК 621.91.02
Особенности развертывания деталях гидроаппаратуры
Земнухов В.Т.1*, Древаль А.Е.1,
л
Виноградов А.С.
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 09. С. 1-11.
Представлена в редакцию: 17.08.2017 © НП «НЭИКОН»
отверстий в
"are enman_0 9 @mail.ni
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия 2ОАО «Авиационная корпорация «Рубин», Балашиха, Россия
В статье рассматривается изготовление высокоточных отверстий пары поршень -цилиндр цилиндрового блока аксиальных поршневых насосов. К указанным отверстиям предъявляются повышенные технологические требования по точности, шероховатости и отсутствию на обработанной поверхности пористости, рисок и других дефектов. На основе последовательного анализа технологических операций и переходов при обработке отверстий установлены причины возникновения дефектов, часть которых устраняются на операции притирки, для устранения других выполняется доработка - повторное развертывание инструментом большего диаметра. Установлено, что часть дефектов (пористость и кольцевые риски) на обработанной поверхности возникают из-за наличия пор и твердых включений в материале бронзовых втулок, основная часть дефектов формируется на заключительной операции, так называемом «обратном развертывании». Рассмотрено влияние на возникновение дефектов конструктивных элементов развертки, экспериментально установлена оптимальная ширина ленточек калибрующей части инструмента. Обоснована необходимость плавающего закрепления инструмента. Разработан и используется в технологическом процессе плавающий патрон. Внедрение указанных мероприятий позволило стабилизировать технологический процесс изготовление отверстий и сократить дополнительную обработку для устранения дефектов на 22%.
Ключевые слова: аксиально поршневой насос, блок цилиндров, дефект, пористость, риски, патрон плавающий, развертка, ленточка калибрующей части
Введение
Аксиально - поршневые насосы являются сложными гидроагрегатами, которые широко используются в качестве энергопреобразователя механической энергии в энергию потока жидкости. Аксиальные поршневые насосы (АПН) находят применение во всех отраслях промышлености, в транспортной и авиационной технике. АПН обладают рядом
преимуществ - имеют высокий КПД, обеспечивают высокую производительность и давление, малые габариты, высокое быстродействие [ 1 ] .
Блок цилиндров АПН имеет цилиндрическую форму с девятью аксиально расположенными бронзовыми втулками, которые после чистовой обработки отверстий составляют поршневую - цилиндрическую пару насоса. Общий вид блока цилиндров представлен на рис. 1
К поршневым отверстиям предъявляются следующие требования: прямолинейность оси 0,004 мм, овальность и конусность не должны превышать 0,002 и 0,005 мм соответственно, допуск на отверстие Н9 с учетом последующей притирки и селективной сборки пары поршень - цилиндр, шероховатость Яа 0,16. Центры отверстий расположены на одном диаметре с равномерным шагом, позиционный допуск на радиус равен 0,05мм. Указанные технологические показатели обеспечивают расчетную производительность насосов, срок службы, собираемость насосов [ 2 ].
Рис1. Блок цилиндров АПН
Многооперационный технологический процесс изготовления поршневых отверстий завершается чистовым растачиванием и развёртыванием. В ходе обработки на поверхности отверстий периодически возникают дефекты (основные виды дефектов и краткое их описание представлены в таблице), которые устраняются притиркой.
Дефект
Рисунок
Описание
Наволакивание
Тонкий налипший слой (пятна более темного оттенка)
Риски продольные
Риски, расположенные вдоль оси отверстия
Зональная пористость
Вскрытые поры на обработанной поверхности
Риски кольцевые
Риски кольцевые на поверхности
Волна
Поверхность имеет полоски более темного цвета
Если удалить дефекты не удается, то отверстия блока цилиндров обрабатываются повторно разверткой большего диаметра. Выполнена оценка стабильности получения требуемых показателей качества обработки после развертывания на основе контроля партии отверстий объемом п = 558. Анализ показал, что 29% блоков цилиндров дорабатываются повторно для устранения дефектов. Очевидно, что повторная обработка увеличивает трудозатраты и снижает производительность.
Постановка задачи
Целью работы является установление причин возникновения дефектов и разработка конструкторских - технологических мероприятий по их сокращению для снижения трудозатрат при изготовлении блоков цилиндров АПН.
С целью установления причин возникновения дефектов в отверстиях с использованием основных подходов к оценке технологической наследственности [3], выполнен анализ всех технологических операций и переходов для установления их влияния на окончательные технологические показатели обработки. Рассмотрены операции: предварительное изготовление отверстий в блоке цилиндров под запрессовку втулок, изготовление бронзо-
вых втулок, запрессовка втулок в корпус, диффузионная сварка корпуса и втулок, операции растачивания и развертывания отверстий и другие операции.
Установлено наличие повышенной пористости в бронзовых втулках, которая может быть вскрыта при срезании припуска, (рис 2а), а также локальных включений Р-фазы, имеющих микротвердость 1600 МПа, превышающую основную твердость втулки а-фазы 1000 МПа (рис 2б). Попадание включений Р-фазы на режущую кромку может приводить к образованию кольцевых рисок (фотографии на рис 2 представлены инженером-конструктором Ларкиным С.С.).
б)
Рис.2. Дефекты обработанной поверхности бронзовых втулок; а - пористость, осевой разрез втулки;
б - локальные включения, 1 - а-фаза, 2 - р-фаза.
Поэтапный анализ технологических операций показал, что все операции выполняются в соответствии с технологическими регламентами, и позволил констатировать, что дефекты вида зональной пористости и кольцевых рисок определяются качеством заготовок бронзовых втулок. Другие дефекты, представленные в таблице, возникают на операции развертывания. Это определило необходимость тщательного анализа и выполнить необходимую коррекцию операции развертывания.
Обработка осуществляется по так называемой схеме «обратного развертывания». В отличие от обычной схемы [4] развертка вводится на всю глубину в отверстия без вращения, далее включается вращение и подача в направлении к входному торцу и производится обработка до вывода инструмента из отверстия (рис.3). Такое развертывание применяется при чистовой обработке глухих отверстий, т.к. при размещении рабочей части инструмента в выточке у дна возникает возможность обработки отверстия на всей его длине; исключается возникновение дефектов обработанной поверхности из-за воздействия скопившейся в стружечных канавках стружки и повторного калибрования поверхности, что имеет место при обычном развертывании.
V
йг
от
а б
Рис.3. Развертывание на обратном ходе; а - ввод развертки в отверстие, б- рабочий ход.
Операция развертывания выполняется на координатно-расточном станке модели 2В440А2; обрабатываемый материал БроСН10-2-3 (литая бронза), твердость 90 НВ; развертка Б = 15±0,002 мм; скорость резания V = 5 м/мин, подача Бо = 0,07 мм/об.; СОЖ -масло веретенное; крепление развертки - качающееся. Обработка отверстий осуществляется разверткой сборной неразъёмной паяной конструкции с рабочей частью из твердого сплава из ВК8 и оправки из стали 30ХГСА. Для рабочей части используется круглая пластинка с отверстием [ 5], на которой шлифованием формируют зубья развертки рис.4.
Конструкция разверток существенно отличается от стандартных короткими рабочими и центрирующими-калибрующими частями. Последнее обуславливает необходимость строго центрирования осей втулок блока цилиндров и развертки при вводе инструмента в
отверстия и на рабочем ходе. Изготовлен комплект инструментов одинаковой конструкции, отличающийся размерами диаметров. Увеличение диаметра у каждой последующей развертки на 0,01мм используется для удаления дефектов, возникших на предыдущем проходе.
Рис.4 Развертка
Рассмотрены причины возникновения дефектов в процессе развертывания и способы их устранения. Продольные риски возникают на этапе ввода развертки в отверстие. Глубина рисок должна находиться в пределах припуска на обработку, равного 0,01 ... 0,015 мм с учетом возможной разбивки отверстия при развертывании. Выполнены измерения диаметров отверстий втулок в 27 блоках цилиндров АПН перед развертыванием, установлено, что максимальное отклонение припуска под обработку составляет 2 мкм на диаметр. Максимальная величина отклонения наружного диаметра развертки на основе измерения партии инструмента не превышает 2 мкм. Таким образом, при строгой соосности отверстия и развертки при вводе её в втулку не должны возникать риски, выходящие за пределы обработанной поверхности. Следовательно, при вводе развертки в отверстие не обеспечивается соосность инструмента и отверстия. Выполнена проверка соосности шпинделя станка и обрабатываемого отверстия с использованием центроискателя индикаторного с ценой деления 0,001мм. Проверка показала, что при существующей системе технологической наладки (базирование и закрепление блока, движения углового деления, закрепления инструмента) несоосность в пределах одного блока цилиндров может достигать 0,12 мм. Последнее при качающемся закреплении развертки приводит к перекрещиванию осей инструмента и заготовки.
С учетом существенно меньшей твёрдости бронзовой втулки (НВ = 90) и малой толщины припуска более твердая рабочая часть развертки при вводе в отверстие формирует риски, глубина которых превышает диаметр обрабатываемой поверхности, которые поэтому не могут быть удалены последующим развёртыванием. Это определило необходимость замены качающегося закрепления развёртки на плавающее. В рамках выполняемой работы разработан и изготовлен патрон для плавающего закрепления с учетом особенностей базирования инструмента в патроне и базирования патрона в шпинделе станка (рис. 5). В основу положена конструкция патрона, представленная в работе [6]. В разработанной конструкции реализовано качение подвижных частей патрона и их минимально возможная масса. Это обеспечивает легкую подвижность установленного инструмента при компенсации выше указанной несоосности и, как следствие, надежное центрирование в отверстии и уменьшения разбивки [7]. Применение плавающего закрепления практически исключило появление рисок после развертывания.
Рис. 5 Патрон плавающий
Существенное влияние на возникновение дефектов при развертывании оказывает ширина ленточек калибрующей части (рис.4). Ширина ленточки влияет на условия центрирования инструмента в отверстии; силы, возникающие из-за трения; на адгезионное схватывание с обработанной поверхностью; на размерную стойкость развертки и технологические показатели обработки. При рассеивании ширины ленточки в пределах одного инструмента возникает дисбаланс радиальных сил, влияющих на разбивку отверстий [8] и предположительно на возникновение волнистости обработанной поверхности. Оптимальная ширина ленточки 1 зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий центрирования инструмента в отверстии. Превышение ширины ленточки выше оптимального значения способствует образованию налипов и их «размазыванию» по обработанной поверхности. На основе литературных данных [9] выбран диапазон рекомендуемых значений ширины 1 ленточки. Проведена доводка ширины ленточки и проверка влияния 1 на наволакивание. Экспериментально установлено, что при развертывании отверстий в втулках из бронзы БроСН10-2-3 оптимальный диапазон ширины ленточки калибрующей части развертки должен быть в интервале 0,03 ... 0,08 мм. Одновременно внесена корректировка в технологический процесс доводки наружного диаметра инструмента, обеспечивающая оптимальные значения ширины ленточки и ее равенство с точностью до 0,01 мм на всех зубьях в пределах одного инструмента.
Заключение
1. Использование патрона плавающего обеспечивает точное центрирование разверток при вводе в отверстие, что устраняет дефекты в виде продольных рисок при обработке по схеме обратного развертывания, и уменьшает разбивку диаметра отверстий в среднем на 3 мкм.
2. Использование разверток с шириной калибрующих ленточек 0,03...0,08 мм и с точностью исполнения размера до 0,01 мм в пределах одного инструмента практически устранило появление дефекта в виде наволакивания.
3. Внедрение плавающего закрепления и ужесточение требований к исполнению размеров ленточек калибрующей части разверток обеспечило снижение разбивки отверстий в среднем на 4.5 мкм. При контроле поверхностей 162 отверстий дефекты наволакивания, продольные риски, волна не наблюдались. Применение повторного развертывания отверстий блока цилиндров снизилось на 22% и составило 7%.
Список литературы
1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: учебник / Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. 4-е изд. М.: Альянс, 2010. 422 с.
2. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика: Справочное пособие. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1971. 670 с.
3. Технологическая наследственность в машиностроительном производстве / Дальский А.М., Базров Б.М., Васильев А.С. и др.; под ред. А.М. Дальского. М.: Изд-во МАИ, 2000. 360 с.
4. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: учебник. М.: Высш. шк., 1985. 304 с.
5. ГОСТ 19071-80. Пластины режущие сменные многогранные твердосплавные круглой формы с отверстием и стружколомающими канавками на одной стороне. Конструкция и размеры. Введ. 01.01.82. М.: Стандартинформ, 2006. 5 с.
6. Маслов А.Р. Приспособления для металлообрабатывающего инструмента: справочник. 2-е изд. М.: Машиностроение, 2002. 251 с.
7. Кохан А.Г. Влияние массы подвижных частей плавающего патрона на точность развертывания отверстий // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. № 4. 2010. 3 с.
8. Древаль А.Е. Взаимосвязь точности обработки отверстий и точности углов режущей части машинных разверток // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 12. С. 3-8. DOI: 10.18698/0536-1044-2016-12-3-8
9. Краткий справочник металлиста / Древаль А.Е., Скороходов Е.А., Агеев А.В. и др.; под общ. ред. А.Е. Древаля, Е.А. Скороходова. 4-е изд. М.: Машиностроение, 2005. 959 с.
Mechanical Engineering & Computer Science
Mechanical Engineering and Computer Science, 2017, no. 09, pp. 1-11.
Received: 17.08.2017
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru © NP "NEICON"
The Hole Reaming Features in Hydraulics Parts
V.T. Zemnukhov1'*, A.E. Dreval1, ' greenman_09@mafl.nl
A.S. Vinogradov
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 2Rubin Aviation Corporation, Balashikha, Russia
Keywords: axial piston pump, cylinder block, surface defect, apparent porosity, scratch, floating chuck, reamer, reamer land
The article deals with making high-precision holes in the piston-cylinder pair of the cylinder block of axial piston pumps. These holes must meet high process requirements for accuracy, roughness and absence of apparent porosity, risks and other defects on the machined surface. The sequential analysis of technological operations and transitions in making holes allowed us to determine the causes of defects some of which were eliminated while lapping. To eliminate the other ones, additional machining is performed, i.e. a larger diameter tool re-reaming. It is found that some defects (apparent porosity and circumferential scratch marks) on the machined surface arise from the pores and solid inclusions available in the material of the bronze bushings, and the main part of the defects is formed in the final operation, so-called "reverse reaming". The article examines how the reamer design components influence on defects emergency, experimentally defines an optimum width of the reamer lands, and justifies the need for tool retention. A floating chuck was developed and used in the process. The abovementioned measures allowed us to stabilize the hole-making process and reduce the additional machining to eliminate defects by 22%.
References
1. Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody: uchebnik [Hydraulics, hydraulic machines and hydraulic drives]: a textbook / T.M. Bashta, S.S. Rudnev, B.B. Nekrasov a.o. 4th ed. Moscow: Al'ians, 2010. 422 p. (in Russian).
2. Bashta T.M. Mashinostroitel'naia gidravlika: spravochnoe posobie [Machine-building hydraulics: a handbook]. 2nd ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1971. 670 p. (in Russian).
3. Tekhnologicheskaia nasledstvennost' v mashinostroitel'nom proizvodstve [Technological heredity in machine building] / Dalsky A.M., Bazrov B.M., Vasiliev A.S. a.o.; ed. by A.M. Dalsky. Moscow: MAI Publ., 2000. 360 p. (in Russian).
4. Granovskij G.I., Granovskij V.G. Rezanie metallov [Cutting of metals]: a textbook. Moscow: Vysshaia shkola Publ., 1985. 304 p. (in Russian).
5. GOST 19071-80. Plastiny rezhushchie smennye mnogogrannye tverdosplavnye krugloj formy s otverstiiami i struzhkolomayushchimi kanavkami na odnoj storone. Konstruktsiia i razmery [State Standard 19071-1980. Round throw-away (indexable) carbide cutting inserts with cylindrical holes and chip-breaking flutes on one-face only. Design and dimensions]. Moscow: Standartinform Publ., 2006. 5 p. (in Russian).
6. Maslov A.R. Prisposobleniia dlia metalloobrabatyvayushhego instrumenta: spravochnik [Tool arrangement for metalworking tools: a handbook]. 2nd ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2002. 251 p. (in Russian).
7. Kokhan A.G. Influence of weight of mobile parts of a floating cartridge on accuracy of expansion of apertures. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2010, no. 4. 3 p. (in Russian).
8. Dreval' A.E. The correlation between the accuracy of hole machining and the accuracy of the angles of the Reamer cutting edge. Izvestiia vysshykh uchebnykh zavedenij. Mashinostroenie [Proc. of Higher Educational Institutions. Machine Building], 2016, no. 12, pp. 3-8. DOI: 10.18698/0536-1044-2016-12-3-8 (in Russian)
9. Kratkij spravochnik metallista [A concise reference of metalworker] / Dreval' A.E., Skorokhodov E.A., Ageev A.V. a.o.; ed. by A.E. Dreval', E.A. Skorokhodov. 4th ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2005. 959 p. (in Russian).
