Сравнительные характеристики поверхностной жесткости деталей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.79; 621.9

Н.А.Терехин, канд. техн. наук, гл. технолог, (4872) 33-23-10, [email protected] (Россия, Тула, ЦКИБ ССО),

A.С. Ямников, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-23-10, yamnikovas@mail .ru (Россия, Тула, ТулГУ),

B.М. Грязев, студент, (4872) 33-23-10, yamnikovas@mail .ru (Россия, Тула, ТулГУ)

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЖЕСТКОСТИ ДЕТАЛЕЙ

Рассмотрены сравнительные характеристики поверхностной жесткости стыков деталей, обработанных шлифованием, фрезерованием и слесарным способом. Показано, что наименьшую стабильность параметров жесткости имеют поверхности, обработанные напильником.

Ключевые слова: жесткость, поверхностный слой, шероховатость, опорная

кривая.

Работа многих машин сопряжена с большими нагрузками, которые воспринимаются исполнительными поверхностями деталей. Это находит определенное отражение в технических условиях на сборку механизмов и в процедуре их отладки. Как правило, наряду с назначениями допусков на линейные и угловые размеры, предъявляются требования к обеспечению высокой контактной жесткости стыков, для чего нормируется контакт между сопрягаемыми поверхностями. В свою очередь, это обстоятельство предопределяет неизбежность ручных пригоночных работ.

Применяемая в производстве ручная пригонка, как правило, обеспечивает выполнение требуемой точности оборки, однако дает значительный разброс точности изделий. Это убедительно подтверждают результаты их сдаточных испытаний. Так, в ряде случаев наблюдается нарушение функционирования узлов изделий вследствие избыточных контактных деформаций в стыках, что вызывает необходимость возврата изделий на повторную доработку для их устранения, а это резко увеличивает себестоимость продукции. Поэтому потребовалось оценить контактную жесткость поверхностей, обработанных слесарным путем, и сопоставить их с аналогичными параметрами поверхностей, обработанных на металлорежущих станках.

Контактная жесткость деталей определяется качеством сопрягаемых поверхностей, причем в значительной мере она зависит от микрогеометрии шероховатой поверхности [1, 2, 3]. Важнейшей характеристикой топографии поверхности является опорная кривая, показывающая характер распределения материала в поверхностном слое. Опорная кривая может быть построена на основании профилограмм, снятых с исследуемой поверхности.

Если взять сечение профиля на некотором расстоянии р от линии выступов (рис. 1), то сумму длин отрезков сечений выступов АЬ/ на заданном уровне называют опорной длиной профиля

Л

Р

п

= X АЬ. 1

а

б

Рис. 1. Схема построения опорной кривой: а - профилограмма; б - график опорной кривой

Отношение опорной длины профиля к базовой длине называется относительной опорной длиной профиля 1Р на уровне р. Следовательно, имеет место равенство [1,2]

А.

(1)

Р ~ I ~ Ас

где Ар - площадь сечения шероховатого слоя (на уровне р); Ас - площадь

исследуемого участка поверхности.

Из этого следует, что относительная опорная длина профиля равна относительной площади сечения материала шероховатого слоя на некотором уровне. Кривая, выражающая зависимость Ар от р, называется кривой

опорной поверхности, которая наглядно показывает, какую долю занимает материал в шероховатом слое на каждом уровне (см. рис. 1). Построение таких кривых было предложено американцем Абботом в 1934 г. [3].

Для того чтобы профилограмма отражала изменение шероховатости как в продольном, так и в поперечном направлениях, съем ее производятся под углом в 45° к направлению обработки [2]. Имеющаяся профилограмма (см. рис. 1,а) ограничивается двумя параллельными линиями. Одна из них проходит через вершину наибольшего выступа, другая - через крайнюю точку наиболее глубокой впадины. Расстояние между ними разбивается на

несколько равных частей рядом горизонтальных линий. Последние параллельны основанию профиля, который делится на ряд уровней. Каждому уровню соответствует некоторое сближение, равное расстоянию от вершины наибольшего выступа до данного уровня. Откладывая по оси абсцисс суммированные участки, ограничивающие ширину выступов, а по оси ординат - сближение, получают кривую опорной поверхности (см. рис. 1,б), которая является графическим выражением зависимости суммарной площади сечений выступов на некотором уровне от величины сближения.

Опорную кривую можно выражать в относительных величинах. Тогда по оси абсцисс откладывается отношение площади сечения на данном уровне А* к контурной площади Ас (рис. 2), а по оси ординат - отношение сближения а к максимальной высоте неровностей Я тах. Относительная площадь сечения материала на некотором уровне обозначается л*, а относительное сближение - 8.

Ас А0

Рис. 2. Номинальная - Аа, контурная - А и фактическая Аг площади контакта

Несущая способность поверхности определяется параметрами Ь и V начального участка опорной кривой, которая приближенно описывается уравнением [2]

Л* = Ьеп, (2)

где л* - относительная площадь сечения материала; е - относительное сближение.

Формула (2), очевидно, будет справедлива при условии 0 £ Л* £ 0,5. Значение параметров Ь и V может быть определено с помощью опорной

кривой, полученной снятием и обработкой профилограмм. Для этой цели начальную часть кривой спрямляют, строя ее в логарифмических координатах. Прологарифмировав формулу (2), получим уравнение прямой

lg hs = lg b + v lg e.

Построив эту прямую в логарифмических координатах, найдем коэффициент v, равный тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс, а lgb -отрезку, отсекаемому данной прямой на оси ординат при e = 1.

Поскольку в интервале 1 > hs > 0,5 формула (2) теряет справедливость, то её рекомендуют заменить на указанном интервале следующей зависимостью [2]:

hs = 1 - b(l -e)v.

В настоящее время существуют приборы и методы оценки характеристик профиля поверхностей. Параметры опорной кривой выражаются через характеристики профиля [1,2,3], т.е.:

/ п \ in

' Л R max

v,

v = 2tm

in______Л

Щ - Г b = t

Ra, ; b m

Rp

где tm - относительная опорная длина на уровне средней линии; Rp - высота сглаживания (нивелирования) - расстояние от линии выступов до средней линии в пределах базовой длины; Ra - среднее арифметическое отклонение профиля; R max - наибольшая высота неровностей профиля.

По расположению опорных кривых и по значению их параметров b и v можно проводить сравнение несущей способности поверхностей.

Так, установлено, что с возрастанием коэффициента b она, как правило, увеличивается [1, 2]. В работе А.Г. Суслова [4] даются сведения о значениях параметров b и v для типовых процессов чистовой обработки поверхностей. Однако в обширной литературе практически нет сопоставительных сведений о жесткости стыков деталей, поверхности которых обработаны слесарным способом, хотя при сборке автоматических машин этот способ до сих пор имеет широкое распространение.

Для исследования влияния способов обработки поверхностей деталей автоматических машин на контактную жесткость и устойчивость стыков деталей при сборке узлов использовались плоские образцы из стали, закаленные до твердости НЯС 40...45. Исследуемые поверхности подвергались обработке следующими способами (Rz = 10...15 мкм):

а) получистовым шлифованием периферией круга;

б) цилиндрическим фрезерованием;

в) личным напильником с перекрестными (под 45°) движениями.

Профилограммы исследуемых поверхностей образцов снимались на

профилографе-профилометре модели 252 завода "Калибр". Ниже (рис. 3) представлены образцы профилограмм, снятых с поверхностей, обработанных слесарным способом личным напильником.

Рис. 3. Образцы профилограмм, снятых с поверхностей, обработанных личным напильником

После обработки профилограмм были получены конкретные значения параметров Ь и V опорных кривых, которые сведены в таблицу [5].

Опытные значения параметров опорных кривых Ь и V для различных способов обработки

Номер опыта

Способ обработки Параметр 1 2 3 4 5 6

Шлифование Ь 2,82 2,9 2,5 1,95 1,85 3,0

V 1,62 1,41 1,56 0,98 0,92 1,76

Фрезерование Ь 2,63 2,0 2,1 2,5 2,5 1,9

V 1,5 2,45 2,11 1,86 1,58 1,66

Слесарная обработка Ь 1,7 1,31 3,33 2,1 1,66 1,7

V 2,78 2,6 2,9 1,8 2,0 2,11

По данным таблицы построены начальные и конечные участки типовых опорных кривых для рассматриваемых процессов обработки поверхностей (рис. 4).

1-8

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД 0

V

V N ь

«

* ч

ч.

С

О ОД ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 а1----а2--аЗ Л5

а

1-е 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

-61 ----62 -- 63 Лб

б

V

V

\ •ч

->ч »

*

* *

■V \

Ч

ОД ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Л5

- в1 ■

- в2--вЗ

в

Рис. 4. Графики кривых, соответствующих различным способам обработки: а - а1 шлифование - Ь=3, у= 1,76; а2 фрезерование - Ь=1,85, V =0,92; аЗ слесарная обработка - Ъ-2,5; V =1,56; б - 61 шлифование -Ъ=2,63, V =1,5; 62 фрезерование - Ь=1,9, V =1,66; 63 слесарная обработка -Ъ=2,5, \=1,86; в - в1 шлифование - Ь=3,33, V =2,9; в2 фрезерование -Ъ=1,31, \?=2,6; вЗ слесарная обработка - Ь=2,1, V =1,8

По графикам на рис. 4 видно, что при =0.5 они имеют разрыв. Этот разрыв объясняется тем, что формулы (2) и (3) являются приближенными и действуют в начале и конце рассматриваемых участков соответственно, а в середине рассматриваемого интервала они теряют достоверность.

Из сравнения опорных кривых поверхностей образцов, обработанных различными способами, и соответствующих им коэффициентов следует, что контактная жесткость поверхностей, обработанных слесарным путем, не уступает в некоторых случаях контактной жесткости поверхностей, обработанных на станках, но имеет меньшую (в 1,3 - 1,5 раза) стабильность (устойчивость). Это обстоятельство можно объяснить тем, что обработанные вручную поверхности имеют резко выраженную нерегулярную шероховатость.

Список литературы

1. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М., 1966,

195 с.

2. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей, М., 1970, 227 с.

3. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М., 1981, 224 с.

4. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. 208 с.

5. Устойчивость стыков при слесарной обработке поверхностей / Никифоров А.П. [и др.] //Исследования в области технологии механической обработки и сборки. Тула, 1985, С. 30-33.

N.A. TereMn, A.S. Yamnikov, W.M. Gryazev

COMPARE CHARACTERISTICS OF SURFACE RIGIDITY OF COMPONENTS

The compare characteristics of surface rigidity of component joints, which are machined with grinding, milling and bench working are considered here. It is shown that the lowest stability of rigidity parameters have file machined surfaces.

Key words: rigidity, surface layer, roughness, curve of control.

Получено 20.12.11

УДК 621.983; 539.374

С.С. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), Фам Дык Тхиен, асп., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), К.С. Ремнев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЕРВОЙ ОПЕРАЦИИ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫТЯЖКИ АНИЗОТРОПНОГО МАТЕРИАЛА В КОНИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕ

Предложена математическая модель первой операции комбинированной вытяжки анизотропного материала в конической матрице. Приведены основные уравнения и соотношения для теоретического анализа первой операции комбинированной вытяжки анизотропного материала в конической матрице.

Ключевые слова: комбинированная вытяжка, анизотропия, матрица, пуансон, сила, деформация, разрушение, напряжение.

Анализируя современное состояние технологии изготовления полых цилиндрических изделий, следует отметить, что наибольшее распро-

174