CC BY
22
УДК 621.01
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ТОНКОСТЕННЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ВТУЛОК
А.Ю. Тараховский, В.Б. Богуцкий
TECHNOLOGICAL HEREDITY IN MECHANICAL PROCESSING OF THIN-WALLED PRECISION BUSHINGS
A.Yu. Tarakhovskiy, V.B. Bogutsky
Аннотация. В статье отмечается, что с ростом требований к качеству приборов и машин в условиях современного производства особое внимание следует уделять технологической наследственности. Особенно остро эта проблема стоит перед производителями прецизионных электрических микромашин. В конструкцию прецизионных электрических микромашин входят тонкостенные прецизионные втулки, в которых наблюдается деформация во времени после проведения финишных операций механической обработки. Бороться с этим явлением только конструктивными мероприятиями представляется нецелесообразным. После проведения анализа литературных данных и технологических процессов, реализуемых на предприятиях разработаны рекомендации по методам управления технологической наследственностью, за счет технологических мероприятий. На основе приведенных материалов сделан вывод о том, что предлагаемые технологические мероприятия позволят повысить точностные параметры деталей, а также стабилизировать полученные размеры по времени.
Ключевые слова: технологическая наследственность; нежесткая деталь; процесс резания; точность обработки; оптимизация технологии изготовления.
Abstract. The article notes that with the growing requirements for the quality of devices and machines in modern production, special attention should be paid to technological heredity. This problem is particularly acute for manufacturers of precision electric micromachines. The design of precision electric micromachines includes thin-walled precision bushings, in which deformation is observed over time after finishing machining operations. It seems impractical to combat this phenomenon only through constructive measures. After analyzing the literature data and technological processes implemented at enterprises, recommendations on methods for managing technological inheritance through technological measures were developed. Based on the materials presented, it is concluded that the proposed technological measures will improve the accuracy of parts, as well as stabilize the obtained dimensions over time.
Key words: technological inheritance; non-rigid part; cutting process; processing accuracy; optimization of manufacturing technology.
Введение
В настоящее время в связи с повышением требований к качественным показателям приборов и машин, а также применением новых труднообрабатываемых материалов, резко возросла роль технологической наследственности при изготовлении прецизионных деталей [1-4] и др. Исследования в этой области [5-7] и др. показали возможность подавления влияния отрицательных факторов технологической наследственности, построением оптимальных технологических процессов.
Однако не всегда удается полностью подавить это влияние, что вызывает технологический отказ готового изделия следующего содержания. Изделия собираются из годных деталей, принимаются ОТК представителем заказчика, принимается годным по всем параметрам. Затем из-за нестабильности размеров базовых прецизионных деталей во времени через несколько суток эксплуатационные характеристики изделия изменяются.
Постановка задачи
Для прецизионных электрических микромашин (вращающиеся трансформаторы, бесконтактные сельсины, датчики угла, бесконтактные индукционные фазовращатели и др.) изменение эксплуатационных характеристик связано с ухудшением их классности. Составленная по опытным данным ряда предприятий и литературных источников [4, 6, 8-11] и др. (таблица 1) показывает, что изменение классности электрических микромашин (ЭММ) во времени приводит не только к возможности выхода из строя какой-либо системы, имеющей в своем составе ЭММ, но связана также с большими экономическими потерями их предприятия-изготовителя.
Таблица 1 - Изменение классности прецизионных ЭММ в результате потери размерной стабильности базовых деталей
Класс электрических микромашин 0,05А 0,1В 0,2С
Первоначальное количество в партии, % 75 15 10
Окончательное количество в партии, % 40 40 20
Стоимость в условных единицах 5,0 2,5 1,0
Следует отметить, что в подавляющем большинстве случаев наследование конструктивных форм является вредным явлением. Бороться с ними необходимо, прежде всего, конструктивными мероприятиями, для чего важно определить количественные отклонения форма. Однако весьма часто возникает такое положение, когда конструктивные изменения, вносимые в детали, приводят к коренной перекомпоновке узла и ухудшению выходных параметров электрических микромашин.
Применение расчетных методов не может дать желаемой точности, особенно при расчете отклонений размеров тонкостенных прецизионных втулок во времени, выполненных из металлокерамических материалов, нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов, т. к. заготовки обладают рядом специфических свойств. Эти свойства зависят от технологии прессования, спекания, зернистости фракции, наличия примесей и т.д. [1-3, 12-14] и др. При этом изменяются физико-механические свойства заготовок (плотность, ударная вязкость, пределы прочности, относительное удлинение, модуль упругости). Именно эти свойства материала изделия во многом определяют характер протекания пластической деформации и степень релаксации технологических остаточных напряжений.
Анализ технологической наследственности
Одним из важнейших проявлений влияния факторов технологической наследственности нежестких деталей, в том числе тонкостенных прецизионных втулок, является их деформация во времени после проведения финишных операций механической обработки. Наличие магнитоупругого эффекта в пакетах магнитопровода ЭММ, выполненных их магнитострик-ционного материала 79 НМ приводит к тому, что в результате деформации корпусной детали (см. рисунок 1) контактирование с пакетом может осуществляться по 2-м точкам.
Такое сопряжение приводит к резкому изменению магнитной проницаемости материала пакета магнитопровода по круговой координате и глубине (см. рисунок 2). Следствием такого изменения является резко выраженная асимметрия нулевых точек ЭММ, т.е. изменение ее первоначальной классности. Причиной размерной нестабильности тонкостенных прецизионных втулок после проведения финишной обработки является релаксация поля технологических остаточных напряжений, имеющих несимметричные эпюры относительно оси симметрии нежестких деталей.
Рисунок 1 - Схема сопряжения пакета магнитопровода радиусом гм прецизионной
ЭММ с ее корпусом радиусом гк
Д(л х1()"
0,7 0.6
0,5 0,4
0,3 0,2
0.1
О
/
4ч ^
V -я V
у л \\ ■■". У//
\\ / 1]
\\ ( ■Л //
\ \ з—^ - / /
л/2
2л:
Рисунок 2 - Изменение магнитной проницаемости Ар пакета магнитопровода из материала 79 НМ в зависимости от несимметричного силового воздействия в стыке «корпус - пакет» и расстояния от места сопряжения: 1 - при контакте пакета магнитопровода с корпусом ЭММ в 2-х точках; 2 - на расстоянии 5-ти мм от места сопряжения; 3 - на расстоянии 10-ти мм от места сопряжения; 4- в месте стыка при симметричном сопряжении
По результатам анализа литературных источников [15-22] и производственного опыта изготовления деталей типа тонкостенных прецизионных втулок составлена таблица 2, анализ которой показывает, что симметричность и знак эпюр технологических остаточных напряжений оказывают влияние на большое количество технологических факторов, которые также направленно взаимодействуют между собой.
Таблица 2 - Влияние технологических факторов на долговременную размерную стабильность тонкостенных прецизионных втулок__
№ Технологические факторы Направление влияния Методы управления
Симметричные поля остаточных напряжений Величина и знак остаточных напряжений
1 2 3 4 5
1. Вид механической обработки Контактная жесткость, схватывае-мость, циклическая прочность, износостойкость. Резание, виброраскатывание
1 2 3 4 5
2. Режимы резания Характеристики микрорельефа поверхности, точность обработки, стойкость инструмента, себестоимость продукции Введение ограничений по величине подачи и глубине резания, оптимизация обработки
3. Геометрические параметры инструмента Величина и степень наклепа, стойкость инструмента
4. Степень притупления лезвийного инструмента по задней грани Термо ЭДС, вибрация, температура в зоне резания, наклеп и степень наклепа. Применение высокоэффективных твердых сплавов и специальных физических методов воздействия
5. Исходные технологические напряжения заготовок (способ получения заготовок) Необходимо сведение технологических напряжений к минимуму. Искусственное или естественное старение, вакуумная термостабилизация, обработка глубоким холодом, термоциклическая обработка. Изменение способа получения заготовки
6. Вид термообработки Изменение величины и знака остаточных напряжений
7. Наличие смазываю-ще- охлаждающей среды (СОТС) Температура в зоне резания, стойкость инструмента, силовые воздействия, точность обработки Применение различных СОТС и методов их подвода, предварительное охлаждение СОТС
8. Дополнительные физические воздействия на зону обработки Снижение усилий обработки, повышение стойкости инструмента и производительности обработки. Индукционный, электроконтактный или плазменный разогрев. Вибрации с дозвуковыми и ультразвуковыми частотами
9. Способ закрепление заготовки Точность обработки Применение технологической оснастки с минимальными радиальными усилиям или исключающими их.
10. Равномерность снимаемого припуска Вибрации в технологической системе и снижение точности обработки. Повышение требований к точности заготовок, изменение способа их получения
11. Конфигурация детали Способ закрепления, применяемое оборудование Изменение конструкции детали. Применение расчетных методов определения деформаций
13. Качественные показатели оборудования Режимы обработки, точностные показатели Применение оборудования повышенной точности и жесткости
Из анализа данных таблицы 2 следует, что в качестве финишных операций для обработки применяются различные виды шлифования, поверхностного пластического деформирования, методы электрической и электроэррозионной обработки, а проводимые исследова-
ния направлены прежде всего на выяснение степени влияния силовых и тепловых воздействий на технологическую наследственность, приобретаемую прецизионными деталями. При этом основными исследуемыми факторами технологической наследственности являются: циклическая и контактная прочность, контактная жесткость, износостойкость, схватывае-мость и др. и одним из важнейших параметров деталей данного класса наряду с высокой точностью формы является сохранение полученных размеров во времени.
Имеющиеся литературные источники не дают количественной оценки влияния технологических факторов и их взаимодействия между собой на качественные параметры прецизионных деталей.
Выводы
Анализ литературных данных и технологических процессов, реализуемых на предприятиях показывает, что оптимизировать технологию изготовления тонкостенных прецизионных втулок можно путем оптимизации режимов обработки, геометрических параметров инструмента и применения комбинированных методов обработки при проведении операций черновой обработки, а также применения специальных устройств, позволяющих формировать на поверхности деталей, сжимающие (растягивающие) технологические остаточные напряжения, имеющие симметричную эпюру.
Применение предлагаемых технологических мероприятий позволит повысить точностные параметры деталей, а также стабилизировать полученные размеры по времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Суслов А.Г. Инженерия поверхности деталей. Москва: Машиностроение, 2008. 320
с.
2. Блюменштейн В.Ю., Смелянский В.М. Механика технологического наследования на стадиях обработки и эксплуатации деталей машин. Москва: Машиностроение-1, 2007. 400 с.
3. Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника. 1977. 256 с.
4. Grechishnikov V.A., Pautov G.A., Yurasov S.Yu., Yurasova O.I. Technological inheritance in the machining of titanium alloys//Russian Engineering Research. 2017. Vol. 37. Р. 270272.
5. Dashchenko A.I. Manufacturing technologies for machines of the future: 21st century technologies. Springer Science & Business Media Publ.. 2012. 820 р.
6. Lachmayer R., Mozgova I., Reimche W., Colditz F., Mroz G., Gottwald Ph. Technical inheritance: A concept to adapt the evolution of nature to product engineering // 2nd International Conference on System-Integrated Intelligence: Challenges for Product and Production Engineering. Procedia Technology. 2014. Vol. 15. Р. 178-187.
7. Blumenstein V., Rakhimyanov Kh., Heifetz М., Meptzov А1. Problem of technological inheritance in machine engineering // AIP Conference Proceedings. 2016. https://doi.org/10.1063/1.4937831
8. Büttgenbach S. Electromagnetic Micromotors-Design, Fabrication and Applications // Micromachines. 2014. Vol. 5. Р. 929-942. https://doi.org/10.3390/mi5040929
9. Design and Manufacturing of Active Microsystems. Ed. Buttgenbach S., Burisch A., Hesselbach Jü. Springer: Heidelberg, Publ. 2011. 444 p.
10. Kilani M.I., Al-Halhouli A.T., Büttgenbach S. Shear stress analysis in a ferrolfuidic magnetic micropump // Nanoscale Microscale Thermophys. 2011. Vol. 15. Р. 1-15.
11. Актуальные проблемы прочности : монография. В 2-х т. Т. 2. / Бабич В.Е.[и др.]; под ред. В.В. Рубаника. 2018. Витебск: УО «ВГТУ». 512 с.
12. Osarenren J. Integrated reliability. condition monitoring and maintenance of equipment. CRC Press Publ.. 2015. 527 p.
13. Гордеева Э.С., Богуцкий В.Б., Шрон Л.Б., Новоселов Ю.К. К вопросу об учете технологической наследственности при формировании свойств деталей // Механики XXI веку. 2018. № 17. С. 248-254.
14. Васильков Д.В., Кочина Т.Б. Упругое последействие в деталях при высокоскоростной обработке резанием // Металлообработка. 2014. № 2 (80). С. 2-10
15. Podder, B., Banerjee, P., Ramesh Kumar, K. et al. Flow forming of thin-walled precision shells // Sadhana 2018. Vol. 43 (208). https://doi.org/10.1007/s12046-018-0979-7
16. Wong C.C., Dean T.A. Lin J. A review of spinning, shear forming and flow forming processes. // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. Vol. 43(14).Р. 14191435.
17. Fazeli Nahrekhalaji A R, Ghoreishi M., Tashnizi E.S. Modelling and investigation of the wall thickness changes and process time in thermo-mechanical tube spinning process using design of experiments // Engineering. 2010. Vol. 2. Р. 141-148. DOI: 10.4236/eng.2010.23020.
18. Cleiton C.S., Teixeira de Assis Jo., Philippov S., Farias J.P. Residual Stress, Microstructure and Hardness of Thin-Walled Low-Carbon Steel Pipes Welded Manually // Materials Research. 2016. Vol.19. No.6. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2016-0217.
19. Гафаров А.М., Алиев Ч.М., Кулиев А.М. Исследование пооперационного изменения качества поверхностного слоя высокоточных деталей судовых машин и механизмов, обработанных различными методами // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2017. Том 9. № 4. С. 752-764.
20. Благовский О.В. Управление формированием остаточных напряжений в ответственных деталях при их изготовлении с использованием ультразвуковых колебаний. Дисс. канд...техн. наук. Ульяновск. 2015. 151 с.
21. Богуцкий В. Б. Основные направления совершенствования технологии обработки нежестких деталей высокой точности // Вестник научно-технического развития. 2020. № 2 (150). С. 3-9.
22. Марецкая В.В. Исследование и разработка технологических процессов изготовления деталей с учетом взаимного влияния формируемых показателей качества. Дисс. канд. техн. наук. Москва. 2008. 155 с.
REFERENCES
1. Suslov A.G. Inzheneriya poverhnosti detalej [Surface engineering of details]. Moscow: Mashinostroenie. 2008. 320 р.
2. Blyumenshtejn V.YU., Smelyanskij V.M. Mekhanika tekhnologicheskogo nasledovaniya na stadiyah obrabotki i ekspluatacii detalej mashin [Mechanics of technological inheritance at the stages of processing and operation of machine details]. Moscow: Mashinostroenie -1. 2007. 400 р.
3. Yashchericyn P.I., Ryzhov E.V., Averchenkov V.I. Tekhnologicheskaya nasledstvennost' v mashinostroenii [Technological inheritance in mechanical engineering]. Minsk.: Nauka i tekhni-ka. 1977. 256 р.
4. Grechishnikov V.A., Pautov G.A., Yurasov S.Yu., Yurasova O.I. Technological inheritance in the machining of titanium alloys. Russian Engineering Research. 2017. Vol. 37, pp. 270272.
5. Dashchenko A.I. Manufacturing technologies for machines of the future: 21st century technologies. Springer Science & Business Media Publ. 2012. 820 р.
6. Lachmayer R., Mozgova I., Reimche W., Colditz F., Mroz G., Gottwald Ph. Technical inheritance: A concept to adapt the evolution of nature to product engineering. 2nd International Conference on System-Integrated Intelligence: Challenges for Product and Production Engineering. Procedia Technology. 2014. Vol. 15, pp. 178-187.
7. Blumenstein V., Rakhimyanov Kh., Heifetz M., Kleptzov Al. Problem of technological inheritance in machine engineering. AIP Conference Proceedings. 2016. https://doi.org/10.1063/L4937831.
8. Büttgenbach S. Electromagnetic Micromotors-Design, Fabrication and Applications. Micromachines. 2014. Vol. 5, pp. 929-942. https://doi.org/10.3390/mi5040929.
9. Design and Manufacturing of Active Microsystems. Ed. Buttgenbach S., Burisch A., Hesselbach Jü. Springer: Heidelberg, Publ. 2011. 444 p.
10. Kilani M.I., Al-Halhouli A.T., Büttgenbach S. Shear stress analysis in a ferrolfuidic magnetic micropump. Nanoscale Microscale Thermophys. 2011. Vol. 15, pp. 1-15.
11. Aktual'nyeproblemyprochnosti [Actual problems of strength]: monografiya. V 2-h t. T. 2. Babich V.E.[i dr.]; edit. V.V. Rubanika. 2018. Vitebsk: UO «VGTU». 512 p.
12. Osarenren J. Integrated reliability. condition monitoring and maintenance of equipment. CRC Press Publ. 2015. 527 p.
13. Gordeeva E.S., Boguckij V.B., Shron L.B., Novoselov YU.K. K voprosu ob uchete tekhnologicheskoj nasledstvennosti pri formirovanii svojstv detalej [On the issue of taking into account technological heredity when forming the properties of details]. Mekhaniki XXI veku. 2018. No. 17, pp. 248-254.
14. Vasil'kov D.V., Kochina T.B. Uprugoe posledejstvie v detalyah pri vysokoskorostnoj obrabotke rezaniem [Elastic aftereffect in details during high-speed cutting]. Metalloobrabotka. 2014. No. 2 (80), pp. 2-10
15. Podder, B., Banerjee, P., Ramesh Kumar, K. et al. Flow forming of thin-walled precision shells. Sädhanä 2018. Vol. 43 (208). https://doi.org/10.1007/s12046-018-0979-7.
16. Wong C.C., Dean T.A. Lin J. A review of spinning, shear forming and flow forming processes. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. Vol. 43(14), pp. 14191435.
17. Fazeli Nahrekhalaji A R, Ghoreishi M., Tashnizi E.S. Modelling and investigation of the wall thickness changes and process time in thermo-mechanical tube spinning process using design of experiments. Engineering. 2010. Vol. 2, pp. 141-148. DOI: 10.4236/eng.2010.23020.
18. Cleiton C.S., Teixeira de Assis Jo., Philippov S., Farias J.P. Residual Stress, Microstructure and Hardness of Thin-Walled Low-Carbon Steel Pipes Welded Manually. Materials Research.
2016. Vol.19. No.6. https://doi.org/10.1590/1980-5373-mr-2016-0217
19. Gafarov A.M., Aliev CH.M., Kuliev A.M. Issledovanie pooperacionnogo izmeneniya kachestva poverhnostnogo sloya vysokotochnyh detalej sudovyh mashin i mekhanizmov, obrabo-tannyh razlichnymi metodami [Investigation of the operational change in the quality of the surface layer of high-precision details of ship machines and mechanisms, processed by various methods]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. admirala S.O. Makarova.
2017. Vol. 9. No. 4, pp. 752-764.
20. Blagovskij O.V. Upravlenie formirovaniem ostatochnyh napryazhenij v otvetstvennyh detalyah pri ih izgotovlenii s ispol'zovaniem ul'trazvukovyh kolebanij [Controlling the formation of residual stresses in critical parts during their manufacture using ultrasonic vibrations], diss. kand.. .tekhn. nauk. Ul'yanovsk. 2015. 151 p.
21. Boguckij V.B. Osnovnye napravleniya sovershenstvovaniya tekhnologii obrabotki nez-hestkih detalej vysokoj tochnosti [The main directions of improving the technology of processing non-rigid high-precision parts]. Vestnik nauchno-tekhnicheskogo razvitiya. 2020. No. 2 (150), pp. 39.
22. Mareckaya V.V. Issledovanie i razrabotka tekhnologicheskih processov izgotovleniya detalej s uchetom vzaimnogo vliyaniya formiruemyh pokazatelej kachestva [Research and development of technological processes for manufacturing parts, taking into account the mutual influence of the formed quality indicators], diss. kand.tekhn. nauk. Moscow, 2008. 155 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Тараховский Алексей Юрьевич Севастопольский государственный университет, г. Севастополь, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры Технология машиностроения. E-mail: atarahovsky@gmail.com
Tarakhovskiy Alexey Yurievich Sevastopol State University, Sevastopol, Russia, candidate of technical sciences, assistant professor of dept. Technology of mechanical engineering. E-mail: atarahovsky@gmail.com
Богуцкий Владимир Борисович Севастопольский государственный университет», г. Севастополь, Россия, кандидат технических наук, доцент кафедры Технология машиностроения. E-mail: bogutskivb@yandex.ru
Bogutsky Vladimir Borisovich Sevastopol State University, Sevastopol, Russia, candidate of technical sciences, assistant professor of dept. Technology of mechanical engineering. E-mail: bogutskivb@yandex.ru
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 229053, г. Севастополь, ул. Университетская 33. Тараховский А.Ю.
+7 (8692) 54-06-67
