CC BY
25
Current state of science in the development of technologies thermo power processing of low-rigid details Semenov K. (Russian Federation)
Современное состояние науки в развитии технологий термосиловой обработки
маложестких деталей Семенов К. О. (Российская Федерация)
Семенов Кирилл Олегович /Semenov Kirill - магистрант, кафедра «Оборудование и технологии машиностроительного производства»,
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти
Аннотация: в статье рассмотрены основные проблемы, возникающие при изготовлении маложестких деталей типа «вал», приведены методы и способы для повышения геометрической точности и качества деталей. Проведен сравнительный анализ технологий термосиловой обработки.
Abstract: the article considers the main problems arising at production of low-rigid details type «shaft», shows a methods and modes for increase of geometrical accuracy and qualities of details. Held comparative analysis of technologies thermo power processing.
Ключевые слова: термообработка, термосиловая обработка, остаточные напряжения, деформация, маложесткие детали.
Keywords: heat treatment, thermo power processing, residual tension, deformation, low-rigid details.
Введение
Во многих современных агрегатах, машинах и приборах применяются маложесткие детали (МЖД) типа «вал». Непрерывный рост объема производства МЖД обусловлен совершенствованием прочностных расчетов, оптимизацией форм деталей и конструкций, постоянным снижением металлоемкости изделий и возрастающим выпуском прецизионных машин.
Диспропорции в конструктивных параметрах МЖД создают серьезные технологические трудности в производстве, основные причины которых: значительные упругие и пластические деформации; коробление заготовок, вызванное неравномерными остаточными напряжениями, вносимыми на всех стадиях обработки.
В большинстве случаев такие детали работают в условиях действия больших знакопеременных нагрузок и испытывают значительные упругие деформации растяжения, изгиба и кручения. При больших скоростях вращения и малой жесткости, даже весьма незначительная величина коробления приводит к нарушению технологических баз, погрешностям формы и размеров деталей, поверхностным дефектам, ограничению режимов резания, что, в конечном счете, ведет, к снижению эксплуатационной надежности МЖД.
Анализ производственного опыта изготовления МЖД в индивидуальном и мелкосерийном и серийном производствах показал, что традиционные способы обработки маложестких длинномерных осесимметричных деталей малоэффективны, и поэтому вопросы их изготовления на практике решаются ограничением режимов обработки. Такой путь существенно увеличивает трудоемкость обработки и не гарантирует требуемое качество изделий.
Поэтому совершенствование технологических процессов изготовления МЖД является важной задачей, повышающей эффективность производства и качества продукции машиностроения.
Остаточные напряжения в технологическом процессе изготовления маложестких деталей
Рис. 1. Схема формирования погрешностей обработки от остаточных напряжений
Остаточные напряжения возникают почти при всех технологических процессах термической, механической обработки, обработке металлов давлением и многих других видах обработки. Причины образования остаточных напряжений многообразны (неоднородность пластической деформации, неоднородность температурного поля, фазовые превращения).
При воздействии внешних нагрузок в процессе дальнейшей механической обработки или эксплуатации, остаточные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешних сил, могут превысить предел упругости, что приводит к неравномерной пластической деформации.
При термообработке, предназначенной для уменьшения остаточных напряжений, они могут вызвать деформирование изделия. При резком изменении температуры в изделии с остаточными напряжениями может произойти не только искажение размеров и формы, но и разрушение, особенно опасны при этом растягивающие напряжения. Остаточные напряжения снижают прочность изделий при переменных и циклических нагрузках [1].
Технологические процессы, применяемые для стабилизации форм и размеров маложестких деталей
Рис. 2. Методы снижения остаточных напряжений
Вибрационный метод применяется для снятия остаточных напряжений в заготовках, полученных методами пластической деформации, вызванных механической обработкой - фрезерованием, строганием, шлифованием, протягиванием, сверлением и т. д.
Термообработка назначается для снятия остаточных напряжений, с целью стабилизации внутренних напряжений и размеров деталей. Этот процесс резко снижает уровень остаточных напряжений и дает достаточно высокое качество стабилизации.
Построение традиционного технологического процесса термической обработки требует применение нескольких промежуточных отпусков, что не обеспечивает высокой производительности и может привести к увеличению стоимости обработки.
При отпуске, для снятия остаточных напряжений основным механизмом изменения остаточных напряжений является их релаксация, которая протекает более быстро при повышении температуры.
Чтобы устранить пластическую деформацию, необходимо либо повысить сопротивление металла пластическому деформированию, т. е. его релаксационную стойкость, либо уменьшить действующие напряжения.
В последнее время получают развитие методы старения, повышающие релаксационную стойкость материала, с небольшим снижением уровня остаточных напряжений. К ним относятся статическое и динамическое нагружение, старение тепловыми ударами, вибрационное старение, обработка ультразвуком. Однако ни одним из данных методов невозможно добиться равномерного распределения остаточных напряжений без управления ходом данных процессов.
Проведенный анализ работ по повышению точности обработки маложестких деталей и управлению параметрами, влияющими на точность обработки, показывает, что используемые в них модели технологической системы недостаточно полно отражают поведение маложесткой заготовки при термообработке.
В теоретических исследованиях показано, что для минимизации технологической наследственности, передаваемой от операции, необходимо снизить уровень остаточных напряжений и создать равномерное напряженное состояние по всей длине заготовки, что, естественно, приведет к равномерной релаксации напряжений и минимальному короблению готовых изделий при их эксплуатации.
Для этой цели была введена в технологический процесс операция термосиловой обработки - ТСО. Трудность управления этим процессом состоит в том, что физико-механические свойства материала, из которого изготавливаются детали, настолько разнообразны, а их поведение зависит от внешних условий при их эксплуатации, что найти единый закон управления просто невозможно. В первом приближении ставится задача получить тело равного сопротивления, то есть тело, во всех точках которого возникают одинаковые микроскопические напряжения [2, 3].
Таблица 1. Основные методы реализации технологий ТСО и их описание
Патент № 2260628
• нагрев заготовки осуществляется не равномерно;
• позволяет формировать только напряжения растяжения; • неравномерность нагрева и охлаждения;
• большие габариты
Патент № 23 81281
• нагрев заготовки осуществляется равномерно;
• позволяет формировать не только напряжения растяжения, но и касательные напряжения;
• температура заготовки остается равномерной в течение всего цикла обработки;
• меньшие габариты
Заключение
Рассмотренные методы повышения качества готовых изделий малой жесткости показывают, что каждый из них применяют в конкретном случае. Их разнообразие подчеркивает отсутствие единой технологии, пригодной для обработки широкой номенклатурой маложестких деталей. При этом ни один из существующих способов не обеспечивает возможности высокопроизводительной и точной обработки, с учетом сохранения форм и размеров маложестких деталей.
Это инициировало развитие теории комплексного нагружения. Особенностью такого вида нагружения является наложение дополнительного силового или кинематического воздействия в сочетании с растяжением. В качестве такого дополнительного воздействия, например, может быть крутящий момент.
Задачей комплексного нагружения является повышение эффективности термосиловой обработки деталей, работающих в условиях действия осевых нагрузок и крутящих моментов, управлению технологической наследственностью, выравниванию остаточных напряжений, которые влияют не только на геометрическую точность в процессе изготовления, но и на эксплуатационную точность и надежность работы машин и механизмов.
Литература
1. Драчев О. И. Технология изготовления маложестких осесимметричных деталей. / О. И. Драчев. - М.; Политехника, 2005. - 289 с.
2. Патент РФ № 2381281, МПК кл. C21D8/00, C21D9/28. Устройство для термосиловой обработки осесимметричных деталей. / Драчев О. И., Расторгуев Д. А., Драчев А. О.
3. Патент РФ № 2260628, МПК кл. C21D9/06, Расторгуев Д. А., Драчев О. И., Воронов Д. Ю., Гуляев В. А. Устройство для термосиловой обработки осесимметричных деталей. 25.12.2003. Опубл. 20.09.2005.
