CC BY
44
УДК 621. 9. 047
РЕЖИМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЦИКЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СВАРНЫХ И ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК
А.П. Печагин, А.И. Болдырев
Магнитно-импульсная обработка крупногабаритных литых и сварных деталей машин рассмотрена как способ стабилизации их геометрических параметров. Даны рекомендации по выбору и расчету основных технологических режимов. Экспериментально подтверждена эффективность магнитно-импульсной стабилизации крупногабаритных деталей
Ключевые слова: обработка, точность, стабилизация, параметры
Одним из недостатков электромагнитного метода [1] повышение точности крупногабаритных сварных и литых заготовок является нестабильность результатов импульсной обработки, что не позволяет разработать режимы протекания процесса: управлять интенсивностью импульсов, обосновать места установки на заготовке индукторов, положение опор для размещения заготовки. Из [1] следует, что при выравнивании внутренних напряжений эффективность последовательных электромагнитных воздействий зависит от управления величиной их амплитуд, т. е. процесс является волновым и его механизм по [2] может быть раскрыт по аналогии с деформацией импульсным воздействием. Это позволит обоснованно выбирать и рассчитывать технологические режимы обработки.*
В качестве начального условия при рассмотрении волновых процессов стабилизации внутренних напряжений принимается ограничение силы импульса диапазоном воздействий, вызывающих упруго-пластические деформации. Граничное условие -деформации должны протекать, в основном, в поверхностном слое. Кроме того, периоды между импульсами должны быть близкими к циклам автоколебательных перемещений заготовки. Тогда по [2] сила воздействия
Ре = Е-Р-/(Ге -т-Ь),
(1)
где Е - модуль упругости материала заготовки;
Р - площадь рабочей части индуктора;
Ув - скорость распространения волн в материале заготовки;
Т - время действия импульса;
Ь - глубина воздействия волны на заготовку.
Для обратной волны, вызывающей основное перераспределение остаточных напряжений и их стабилизацию
Рв = Е-Р -
1 - г 1 + г
(р-(¥в -т- Ь), (2)
Печагин Александр Петрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8(908)138-31-06
Болдырев Александр Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, профессор, тел. 8(910)240-74-03
где г - отношение ударных жесткостей отраженных участков индуктора и обрабатываемого участка заготовки.
<р =
2Р,
Р-(К-т +1)
Ь-Е-Р
Р, + Р
кі-1
к
Е Р
е-ь - (кв- т+1)
(3)
где Ри - прямоугольный амплитудный импульс силы;
, , к Ь - коэффициент, Ь =-------;
Е ■ Р
I - глубина действия волны импульса в поверхностном слое заготовки;
Ры _1 - контактная сила, вызванная воздействием на индуктор предшествующего импульса; к - коэффициент, определяющий сопротивление материала заготовки воздействию индуктора, приведен в [2].
Тогда величина силы в импульсе под действи-
ем отображенной волны
Р = -Р ■ 1 _ 2е _Ь■(^ ■ Т+1) 1+ Рг . ■
в и L J кг-1
е-ь■ (кв-т+1). (4)
Период действия отраженной волны
т V, ■Ри , V, • (2Рь - Ри_,)
1 =---------------1--------------------. (5)
Е-Р-I
Е-Р-I
Амплитуда смещения обрабатываемого участка заготовки по аналогии с [2]
Р 2 Р
А = —^- (Кв т-1) + - "
Е-Р
Ь-Е-Р
(К,-т +1) -
2Р. + Рк
к
кі-1 а-Ь - (Кв - т+1)
• е .
(6)
Магнитно-импульсная обработка нашла применение в станкостроении и при изготовлении режущего инструмента [3], получены положительные результаты по увеличению стойкости изделий.
Расчет режимов по приведенным зависимостям весьма трудоемок, поэтому можно для некоторых видов крупногабаритных заготовок, изготовленных литьем из чугуна или сваркой из стандартных стальных профилей, использовать эмпирические формулы, приведенные, в частности, в [4]. Здесь принимается величина предельных напряжений
равной пределу прочности материала Ов на растяжение (сжатие). Напряжение и выбирают в диапазоне 0,5-1,5 КВ. Тогда емкость конденсаторов С для деталей типа балок
„ 2о ■ к ■ а ■т
С =------в----2----, (7)
к б ■ и2
где к - приведенная высота в сечении обрабатываемой детали. Для прямоугольного сечения принимают геометрический размер. Если сечение имеет другую форму, то находят к из условия равенства моментов инерции рассматриваемого и адекватного прямоугольного сечения;
а - ширина обрабатываемого участка заготовки (детали);
к б - экспериментальный коэффициент.
Длительность импульса находится через частоту V с учетом скважности q [5]
2,3Л ■ С ■ 1я и - и"
и - и п
т = -
(8)
где Я - сопротивление зарядного контура установки;
ик - напряжение в конце разряда;
ипр - пробивное напряжение, ипр « 0,7и.
При наличии регулятора частоты длительность импульса находят по зависимости
1
т =-------. (9)
q ■ V
При стабилизации напряжений частота следования импульсов составляет 0,2-1,5 Гц, а скважность - 10-100.
По [4] эмпирический коэффициент кб = кв ■ к{. Коэффициент кв выбирается по экспериментальным кривым, приведенным на рис. 1, и корректируется в зависимости от схемы закрепления в соответствии с рекомендациями табл. 1.
Если выполняется стабилизация плоских деталей типа плит, то для размера по оси «х»
2о „■ I ■т
С =-
к пі • и2
(10)
длина индуктора,
100 200 300 ідо™
Рис. 1. К выбору коэффициента к
Таблица 1
Выбор корректировочного коэффициента кі
Вид обрабаты- ваемых деталей Величина кі
опертая деталь деталь, защемленная с одной стороны деталь, защемленная с двух сторон
Балки 1 2 3
Плиты 1 2 -
где 1Х - длина детали по оси «х»; к п1 - эмпирический коэффициент.
Для размера детали по оси «у»
2о ■ I ■ Т С'=^ • <11)
где I - длина детали по оси «у»; кп2 - эмпирический коэффициент.
Значения коэффициентов кп1 и кп2 выбираются из графических зависимостей, приведенных на рис. 2, и корректируются согласно рекомендациям табл. 1.
Коэффициенты к„хЮ
к 7 і Кп2 [
длина
о5ра5аты6аемого
О 500 1000 1500 2000 2500 уияяед мм
Рис. 2. Определение коэффициентов к п1 и к п2
Из (10) и (11) выбирают наибольшее значение и округляют его в сторону увеличения до ближайшего значения, обеспечиваемого станочным оборудованием.
Рассмотрены примеры стабилизации напряжений типовых деталей машин. На рис. 3 показан стол станка. Возможны 2 варианта его конструкции: литой из чугуна и сварной из листа, профилей и механически изготовленных деталей. Каждый элемент детали между опорами подвергается стабилизации электромагнитными импульсами, формируемыми индукторами. Индукторы, имеющие стандартные размеры контактной поверхности 250*235 мм, устанавливают по оси заготовки симметрично опорам. Их индуктивность составляет около 1мкГн.
320 500 500 320 160
0 1 2 3 4 5 K$k $
3200
Рис. 3. Общий вид детали типа «СТОЛ»
(1, 2, 3, 4, 5 - места установки опор и излучателей)
Имеющаяся магнитно-импульсная установка позволяет обрабатывать детали больших габаритов (до 10000 мм). При длине заготовки до 1000 мм установочные перемещения установки не требуются, т.к. такие движения осуществляет каретка. При большей длине двигается установка относительно детали. При этом настроечные движения выполняются со скоростью до 17,5 м/мин. Емкость конденсаторов до 2000 мкФ. Частота следования импульсов - 0,5 Гц.
Расчеты показали, что энергия, необходимая для стабилизации участков 0-1, 2-3, 3-4, 5-к - 11 кДж, а для участков 1-2 и 4-5 - 19 кДж. Емкость конденсаторов при обработке концевых участков -250 мкФ, средних - 420 мкФ. Количество импульсов, подаваемых на каждый участок - до 15.
Аналогично обрабатывалась станина станка (схема обработки балки) с габаритами 5000*1650*765 мм. Обработка выполнялась с использованием промежуточной детали, обеспечивающей равномерность зазоров между рабочей поверхностью плоского индуктора и обрабатываемой деталью. Величина зазора составляет 1-1,5 мм с предельным отклонением размера ± 0,3 мм; энергия импульсов, соответственно, 12 и 22 кДж; количество импульсов - до 30 при частоте их следования - 0,5 Гц.
В табл. 2 приведены результаты стабилизации обработанных деталей.
По стандартам и нормам погрешность обработанных чугунных корпусных деталей ограничивается под сборку 0,1-0,15 мм на всей длине. Рассеивание размеров составляет 15-20 %.
Для перераспределения и выравнивания внутренних напряжений, вызывающих коробление и изгиб деталей, после стабилизирующей магнитноимпульсной обработки необходимо использовать естественное старение, которое для чугунных литых заготовок протекает в течение 1-2 суток, а у сварных стальных - около 3 месяцев. После старения можно выполнять окончательную обработку деталей и сборку изделия.
Таблица 2
Эффективность магнитно-импульсной стабилизации
Деталь Вид заготовки Погрешность, мм
до стабилизации после стабилизации
Плита стальная сварная 0,3-0,5 на 1000 мм 0,1 на всей длине
чугунная литая 0,5-0,6 на 1000 мм 0,02 на 1000 мм
Балка стальная сварная 0,4-0,5 на 1000 мм 0,08-0,12 на 1000 мм
чугунная литая 0,4-0,5 на 1000 мм 0,03-0,08 на 1000 мм
Взамен стабилизирующей магнитноимпульсной обработки можно использовать нормализацию. Однако подобная термическая операция требует крупногабаритного оборудования (печей), которое имеют только отдельные крупные промышленные предприятия, расположенные за 500-1000 км от предприятия-изготовителя. Транспортировка к таким предприятиям массивных заготовок требует специального транспорта, задерживает выполнение заказов на поставки продукции, повышает себестоимость, что снижает востребованность изделий и конкурентоспособность предприятий-поставщиков. Кроме того, термическое оборудование для отжига весьма энергоемко.
Таким образом, магнитно-импульсная стабилизация имеет существенные достоинства, особенно в современных условиях применения гибкоструктурного производства изделий машиностроения по индивидуальным заказам в условиях конкуренции с зарубежными фирмами.
Литература
1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов: учеб. пособие в 2-х т. Т. II. Обработка материалов с использованием высококонцентрированных источников энергии / Б.А. Артамонов, Ю.С. Волков и др.; под ред. В.П. Смоленцева. М.: Высшая школа, 1983. 208 с.
2. Механика нагружения поверхности волной деформации / А.Г. Лазуткин, А.В. Киричек, Ю.С. Степанов и др. М.: Машиностроение, 2005. 149 с.
3. Григорьев С.Н. Нанесение покрытий и поверхностная модификация инструмента / С.Н. Григорьев, М.А. Волосова. М.: СТАНКИН, 2007. 324 с.
4. Технологический процесс стабилизации геометрии базовых чугунных отливок: технический отчет о НИР. Харьков, ВНИИ ЛИТМАШ, 1973. 42 с.
5. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки / Е.В. Смоленцев. М.: Машиностроение, 2005. 511 с.
Воронежский государственный технический университет
OPERATIONAL CONDITIONS OF CYCLE INFLUENCE ON INTERNAL STRESSES OF WELDED AND CAST WORKPIECES A.P. Pechagin, A.I. Boldyrev
The authors consider magnetic pulse treatment of large cast and welded machine parts as the way of stabilizing their geometrical parameters. They give recommendations for the choice and calculation of basic operational conditions. The efficiency of magnetic pulse stabilizing of large workpieces is experimentally proved
Key words: treatment, accuracy, stabilizing, parameters
