Размерная стабильность материалов и элементов конструкций в приборостроении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.18

С. А. Яковлева, О. С. Юльметова

РАЗМЕРНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Рассмотрены причины возникновения размерной нестабильности материалов и конструкций приборов, а также физические механизмы ее проявления. Представлен расчетно-экспериментальный метод оценки размерной нестабильности сборочных конструкций и отмечена актуальность его применения при создании высокоточных приборов.

Ключевые слова: геометрическая стабильность, сопротивление микропластическим деформациям, микроползучесть.

Способность металлических материалов и изделий к самопроизвольному изменению формы и размеров с течением времени является значительным препятствием на пути обеспечения непрерывно возрастающих требований к точности и надежности приборов. Так, к деталям и узлам приборов навигационных комплексов предъявляются чрезвычайно жесткие требования по их геометрической точности: отклонение линейных размеров по 5—6 квалите-там и с более высокой точностью, отклонение взаимного расположения и формы поверхностей — доли угловой секунды или десятые, сотые доли микрометра [1]. При этом требования к постоянству размеров и формы еще более высоки и должны обеспечиваться при длительной эксплуатации в условиях постоянной и переменной температуры, так как нестабильность геометрии высокоточных деталей и узлов непосредственно влияет на погрешность прибора.

Обеспечение указанных требований является достаточно сложной задачей, решение которой связано с необходимостью использования металлических материалов с высоким постоянством их качества, необходимостью применения специальных методов и технологических процессов стабилизирующей обработки при изготовлении изделий [2].

Самопроизвольное изменение размеров металлических изделий является следствием в основном трех факторов [3]:

1) нестабильности фазового и структурного состояния материала;

2) релаксации остаточных внутренних напряжений, возникающих в деталях в процессе различных технологических операций горячей и холодной обработки, а также при механосборочных операциях и в процессе длительного хранения;

3) микроползучести под действием внешних нагрузок.

Влияние любого фактора (факторов) может оказаться превалирующим в зависимости от конкретных условий, например, материала, его структурного состояния и рабочих напряжений. Особенно интенсивно процессы микроползучести и релаксации развиваются в сплавах с метастабильным фазовым и структурным состоянием. В условиях эксплуатации высокоточных приборов наблюдается процесс медленного и непрерывного нарастания пластической деформации при снижающихся во времени внутренних напряжениях в материале, значительно меньших предела текучести. Чем больше сопротивление материала микропластическим деформациям во времени, тем выше его размерная стабильность в условиях эксплуатации и длительного хранения. Поэтому основной функцией применяемых при изготовлении деталей приборов стабилизирующих обработок является повышение сопротивления материала изделий микропластическим деформациям.

Показатели сопротивления микропластическим деформациям металлов и сплавов не коррелируют с условным пределом текучести, который используется в традиционных методах расчета конструкций с назначением запаса прочности. Для высокого сопротивления

24 С. А. Яковлева, О. С. Юльметова

микропластическим деформациям при кратковременном и длительном нагружении необходимо обеспечить как можно более высокие напряжения начала движений дислокаций и стабильность фазового состояния, в то время как для достижения только высоких прочностных свойств эти факторы не существенны.

В основу методов повышения сопротивления металлов и сплавов микропластическим деформациям положены принципы создания препятствий движению дислокаций, обеспечения стабильности структурного состояния в условиях эксплуатации и понижения остаточных внутренних напряжений. Но максимально возможное снижение остаточных внутренних напряжений за счет термической обработки не решает проблемы обеспечения постоянства размеров изделий во времени, поскольку зачастую приводит к снижению сопротивления микропластическим деформациям материала.

Действующие нормативные материалы, такие как ГОСТ 17537-75 и ОСТ4.ГО 054103 на стабилизацию размеров термической обработкой, имеют определенные недостатки [3]:

— представлены только термические методы стабилизации;

— отсутствует ряд новых материалов, применяемых в навигационной технике;

— эффективность представленных режимов ограничена (как показывает практика);

— отсутствуют сведения о стабилизации сварных узлов и методах оценки стабильности сборок.

Нахождение оптимального решения практических задач выбора, разработки и применения материалов и технологий для высокоточных изделий возможно в результате дальнейших обстоятельных исследований зависимости характеристик размерной стабильности от строения малоизученных металлов и сплавов, а также разработки методов оценки стабильности высокоточных деталей и сборок.

Для оценки размерной стабильности сложных гироскопических сборок был предложен метод, основанный на расчетно-экспериментальном подходе [1].

Размерную нестабильность сборочной конструкции в можно представить как сумму не-стабильностей ненагруженных (см. далее формулу (1)) и нагруженных (4) при сборке и эксплуатации деталей, нестабильностей ненагруженных неразъемных (2) и разъемных (3) соединений узлов, а также нестабильностей неразъемных соединений, нагруженных при сборке и эксплуатации (5).

Нестабильность ненагруженных деталей складывается из структурной нестабильности материала и нестабильности, вызванной релаксацией остаточных напряжений, возникающих в результате различных технологических воздействий:

т

вд = Т (вс/ +врг ^ (1)

г=1

где вс — структурная нестабильность; вр — нестабильность, вызванная релаксацией оста-

точных напряжений; т — количество деталей в сборке (/ = 1, т ).

Нестабильность ненагруженных неразъемных соединений складывается из структурной нестабильности материалов швов (сварных, паяных, клееных) и деформации, вызванной релаксацией остаточных напряжений:

п

вш = Т (вс/ +вр/ ^ (2)

>1

где п — число неразъемных соединений ( / = 1, п ).

Нестабильность ненагруженных разъемных соединений определяется по формуле:

т-п-1

Т

/=1

вк = Т В] , (3)

где т—п—1 — число разъемных соединений () = 1, т - п-1), 8) — нестабильность, вызванная

деформацией в контактных поверхностях соединения.

Деформации в контакте зависят от шероховатости и загрязнений поверхности. При небольшой шероховатости, хорошей очистке деталей и чистовых условиях сборки такие деформации даже в течение длительного времени не превысят сотых долей микрометра на одну пару контактных поверхностей, и часто ими можно пренебречь.

Нестабильность нагруженных в сборке деталей (4) и швов (5), подвергнутых воздействию внутренних напряжений от сборочного крепежа и посадок с натягом, а также внешних эксплуатационных (транспортных) напряжений, можно определить по следующим формулам:

т

8нд = ^8р1 +Е8И/ , (4)

нд

г=1 /=1

где тр — количество деталей, подвергнутых релаксации внутренних напряжений (/ = 1, тр ); тп — количество деталей, подвергнутых микроползучести под действием внешних напря-

жений (I = 1, тп ); 8п — нестабильность, вызванная микроползучестью детали:

ПР Пп

8нш = 2 8р) +28п , (5)

)=1 1=1

где пр — количество швов, подвергнутых релаксации () = 1, пр ); пп — количество швов, под-

вергнутых микроползучести (I = 1, пп ).

Представление нестабильности в виде отдельных составляющих позволяет применять экспериментально-расчетный метод ее поэтапной оценки для сложных высокоточных приборных сборок. Метод предполагает знание целого ряда механических характеристик входящих в изделие материалов и предусматривает поэтапный анализ стабильности с движением от простого объекта к более сложному: материалы, соединения, отдельные детали, узлы, прибор в целом. При этом учитываются только те элементы конструкции, которые входят в размерную цепь с замыкающим звеном, определяющим точность прибора.

Расчеты высокостабильных конструкций традиционными методами сопротивления материалов и теории упругости неэффективны, так как размерная нестабильность проявляется даже в отсутствие внешних механических воздействий и увеличивается при их наличии, а также под воздействием физических полей. Поэтому анализ размерной нестабильности конструкций включает экспериментальное определение характеристик нестабильности с применением специальных моделей, дополняемое расчетами. На каждом из этапов методика предусматривает решение специфических задач, но и содержит некоторые общие требования. Так, общим является требование иметь на образцах, моделях и деталях базовые измерительные поверхности, максимально приближать форму моделей и технологию их изготовления к реальной конструкции, заканчивать каждый этап при необходимости корректировкой конструкции и технологии, обеспечивая наивысшую размерную стабильность исследуемого объекта.

Данный метод был апробирован [1] при оценке стабильности малогабаритного гироскопа с магнитным подвесом, в котором замыкающим звеном, определяющим точность прибора, является величина отклонения от перпендикуляра оси датчика момента к базовой посадочной поверхности наружного корпуса прибора. В результате были заменены материалы некоторых деталей, выбраны оптимальные виды стабилизирующей обработки и технологические схемы изготовления деталей и узлов, что значительно повысило размерную

тр

26

М. А. Голубчиков, Ю. П. Кузьмин

стабильность конструкции, таким образом долговременная нестабильность перпендикулярности оси датчика к базовой поверхности, изготовленного с применением предложенной методики, может принимать значения в пределах 1,2—15".

В дальнейшем планируется применить данный расчетно-экспериментальный метод оценки размерной нестабильности к высокоточным узлам гироскопических приборов, разрабатываемым в ЦНИИ „Электроприбор".

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 10-08-00158а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гаврюсев В. И. Метод оценки размерной нестабильности замыкающего звена гироскопических сборок // Гироскопия и навигация. 1993. № 1. С. 18—25.

2. Хенкин М. Л., Локшин И. Х Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.

3. Гаврюсев В. И. Размерная стабильность материалов и элементов конструкций. Л.: ЦНИИ „Румб", 1990. 113 с.

4. Гаврюсев В. И. Геометрическая стабильность металлических приборных конструкций и технологические методы ее повышения. Л.: ЦНИИ „Румб", 1981. 146 с.

Сведения об авторах

Светлана Анатольевна Яковлева — ЦНИИ „Электроприбор", Санкт-Петербург; инженер-технолог 1-й

категории; E-mail: [email protected] — Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; ассистент; E-mail: [email protected]

Поступила в редакцию 14.12.09 г.

УДК 621.77

М. А. Голубчиков, Ю. П. Кузьмин МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВИБРОНАКАТЫВАНИЯ

Рассматривается процесс получения регулярного микрорельефа с применением методов компьютерного моделирования. Представлена программа АСОРМР для расчета параметров вибронакатывания и графического отображения траектории движения инструмента.

Ключевые слова: вибронакатывание, моделирование.

Новое направление в теории микрогеометрии поверхностей — регуляризация микрорельефа — было предложено профессором ЛИТМО Ю. Г. Шнейдером, который разработал научные основы создания и внедрения новых, основанных на поверхностном пластическом деформировании (ППД), простых в использовании способов и технологий образования на технических поверхностях регулярных микрорельефов (РМР) вместо шероховатости методом вибрационного накатывания.

Сущность метода вибронакатывания заключается в том, что на рабочих поверхностях деталей машин и приборов вместо шероховатости, образующейся в результате их обработки традиционным способом — резанием, создаются микрорельефы с неровностями практически одинаковой формы и размеров со строго заданным конструктором взаимным располо-

Ольга Сергеевна Юльметова

Рекомендована кафедрой технологии приборостроения