CC BY
22
Машиноведение
г--}..''' Р ЧС*.' :
Источник тепла
Рис, 14. Схема распределения тепловых потоков для тангенциального расположения пластин и их закрепления
посредством винта с конической головкой
тепля
Рис. 15. Схема распределения тепловых потоков для радиального расположения пластин и их закрепления
посредством винта с конической головкой
Таким образом, рационализация формы поперечного сечения пластины, относительно угла приложения результирующей силы фрезерования позволяет повысить эксплуатационные характеристики фрез и обеспечить при прочих равных условиях интенсификацию режимов фрезерования не менее чем 2 раза при одновременном увеличении периода стойкости, Это было подтверждено при отраслевой аттестации инструмента [1].
Библиографический список
1, Балла О.М., Певцова АН. Фрезы торцовые, оснащенные прецизионными пластинками твердого сплава // Сборник отраслевых стандартов: ОСП 52858-89...ОСТ1 51861-89. -Москва.: НИАТ, .1989. - 60 с.
2, Режущий и вспомогательный инструмент // Обзор производственной программы KENNAMETAl HERTEL, 1998. - 92с.
3, Баранчиков В.И., Тарапанов A.C., Харламов Г.А, Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник, Библиотека технолога. - М.: Машиностроение, 2002. -264 с
А.С.Бубнов
Технологические возможности процесса правки маложестких цилиндрических деталей стесненным сжатием
Производство маложестких цилиндрических деталей, к которым относятся валы, оси, штанги - сложный многооперационный технологический процесс, в котором действуют различные факторы, влияющие на формирование качества продукции. Поэтому для внедрения в производство операции правки стесненным сжатием,
необходимо оценить её влияние на технологические показатели процесса.
Для исследования процесса правки деталей стесненным сжатием было спроектировано и изготовлено приспособление, обеспечивающее радиальное и осевое воздействие на цилиндрическую деталь, Главными кинематическими движениями приспособления является
Источник
Машиноведение
ШШШШШШШШЯ^ШШШЯШШЯЯШ
радиальное и осевое сжатие заготовки. Радиальное движение осуществляется эксцентриковыми механизмами, а осевое - при помощи гидравлического пресса, Принципиальная схема процесса представлена на рис, I, Для выправления детали необходимо изогнуть её в радиальном направлении до прямолинейного состояния, а затем создать сжимающее осевое напряжение, которое на 5-7% превышает предел текучести материала.
Основными параметрами приспособления для правки стесненным сжатием является усилие радиального и осевого сжатия, количество и ширина контактной зоны призм.
Для исключения местной потери устойчивости расстояние между призмами и ширину призм необходимо принимать минимально возможным. С другой стороны, с уменьшением расстояния между призмами и их ширины возрастает удельная нагрузка на призмы, что может вызвать их ускоренный износ и остаточные деформации смятия поверхности выправляемого изделия.
Одним из недостатков конструкции правильного приспособления является небольшой срок службы призм. Максимальный износ происходит преимущественно в средней части правильного приспособления, ввиду максимального искривления цилиндрических деталей в этом месте. Чтобы предупредить неразномерный износ при проектировании приспособления для правки необходимо увеличить зону контакта между цилиндрической деталью и призмой, сохраняя при этом условие наиболее равномерного распределения удельной нагрузки на призму, Для повышения срока службы рабочую поверхность призм необходимо изготавливать из износостойкого материала с высоким качеством рабочей поверхности, например, из стали 9ХВГ и шероховатостью Ра 0,04.
Математическое моделирование. На основе программного пакета М$С.№5!гап [1] разработана структура расчета напряженно-деформированного
состояния маложестких цилиндрических деталей стесненным сжатием. Нисленное решение упруго-пластической задачи для неоднородного материала осуществлено для конечноэлементной модели (0=16 мм и 1=350 мм), содержащей 10800 линейных восьмиузло-вых гексаэлементов.
По изополосам, полученным с помощью программы, определены напряжения и деформации в объеме детали до и после правки. На рис. 2 представлены некоторые результаты напряженного состояния в изопо-лосах.
Установлено, что в искривленной детали (см. рис. 2, а) присутствуют остаточные напряжения, которые способствуют её искривлению. Если деталь выправлять сосредоточенной поперечной силой (см. рис. 2, б) или радиально распределенной нагрузкой (см. рис. 2, в), то напряженное состояние будет неоднородным, и соответственно с течением времени форма детали снова исказится. Чтобы устранить неоднородность напряженного состояния в цилиндрической детали, необходимо приложить сжимающее осевое напряжение через торцевые поверхности детали, превышающее предел текучести материала (см. рис. 2, г). После снятия внешней нагрузки в детали формируются незначительные по величине остаточные напряжения (см. рис. 2, д), являющиеся следствием трения в зонах контакта заготовки с нагружающими элементами.
Математическая модель процесса правки позволила установить основные закономерности, влияющие на качество выправленных изделий. Изменения основных показателей процесса правки показаны на рис. 3. Влияние степени деформации при осевом сжатии на основные характеристики процесса правки неоднозначно - с ее ростом снижается кривизна, но одновременно увеличивается диаметр и уменьшается длина детали. При напряжении 360-370 МПа наблюдается оптимальное сочетание всех трех параметров,
иг
Гпйх
,----
ч\—г-
А !
п
¡=19
1 <4 1
/ |\
М Т7
( Т 1
Вп
Рис. 1. Схема правки маложестких цилиндрических деталей стесненным сжатием: 1 - деталь; 2,3 - призмы; Р ~ осевая нагрузка; Р-радиальная нагрузка; 0 - диаметр детали; 1 - длина детали; Утах - максимальное отклонение от прямолинейности; I - расстояние
между призмами
Рис, 2. Распределение интенсивности напряжений в цилиндрической детали: а - искривленная деталь; 6 - деталь, выправленная сосредоточенной силой (Р = 50 И); в - деталь, выправленная радиальной нагрузкой; г - правка стесненным сжатием; д - напряженное
состояние при разгрузке
Рис. 3. влияние напряжения сжатия на изменение относительного диаметра (1), относительной длины (2) и относительного остаточного прогиба заготовки (3)
Сжатие деталей до напряжения величиной 400 МПа приводит к уменьшению её длины на 0,18-0,20%, а дальнейшее повышение деформации способствует существенному увеличению диаметра изделия. Поэтому правка деталей стесненным сжатием имеет свои ограничения, которые определяются, главным образом, технологическими требованиями к качеству изделий.
Экспериментальные исследования. Исходя из номенклатуры материала и типоразмеров цилиндрических деталей опыты были выполнены на образцах из стали 30 диаметром 16 мм, длиной 350 мм. Опыты проводили на гидравлическом прессе ПСУ-50 и на экспериментальной лабораторной установке для правки стеснённым сжатием.
Ввиду того, что материал изделия перед правкой может находиться как в отожженном состоянии, так и в деформированном или в термообработанном, то опыты были выполнены на образцах, представленных в трёх состояниях: горячекатаные, предварительно деформированные и термообработанные, Предварительное деформирование осуществляли холодным осесимметрич-ным нагружением. Для этого цилиндрические образцы деформировали на универсальном калибровочном станке через круглую матрицу с относительным обжатием 2%. Технологической смазкой служило масло И-8А. Закалку цилиндрических образцов выполняли в электропечах марки СНОЛ. Термообработку осуществляли при температуре 840-860°С, с выдержкой 0,5 часа в
электрической печи и последующим охлаждением в воде.
В результате опытов было установлено, что с увеличением напряжения сжатия (до определенного значения) прямолинейность изделий повышается. Экспериментально выявлено, что наилучший эффект при правке деталей из стали 30 возможен при напряжении сжатия (1,05-1,1)ат для деталей из горячекатаной стали, для деформированных - (1,1-1,2)ат и для закаленных - (1,2-1,3)ат МПа (рис. 4).
Эти данные были получены при отсутствии мер по снижению трения в зонах контакта заготовки с элемен-
тами технологической системы, Если напряжение сжатия продолжать увеличивать, то происходит местная потеря устойчивости и в результате деталь становится не годной к эксплуатации. Экспериментально установлено, что наилучший результат правки стесненным сжатием деталей из стали Ст5 возможен с напряжением сжатия (1,05-1,1)стт для деталей из горячекатаной стали и (1,1-1,2)ат деформированной (рис, 5). При напряжении осевого сжатия больше предела текучести происходит не только правка, но и изменение длины и диаметра изделия.
Напряжение сжатия, МПа
Рис. 4. Влияние напряжения осевого сжатия на снижение максимального прогиба деталей из стали: 1■ горячекатаной;
2 - предварительно деформированной; 3 - закаленной
0,6
2 £
о
0 о. с
>н
1 0,3
0,5
0,4
0,2
ОД
сталь Ст5 Стт=320 МПа
150 300 450 600 750 Напряжение сжатия, МПа.
Рис. 5. Влияние напряжения осевого сжатия на снижение максимального прогиба деталей из стали: 1 - горячекатаной;
2 - предварительно деформированной
200 300 400 500 Напряжение сжатая, МП а
200 300 Напряжение
400 сжатия,
500 600 МПа
Рис. 6. Влияние осевого сжатия на изменение диаметра (а) и длины (6) деталей
Рис. 7. Детали для исследования шероховатости: 1 - упрочненный вал; 2 - шлифованная направляющая
Рис. 8. Зависимость исходных остаточных напряжений от напряжения сжатия
На рис. 6 показано влияние осевого сжатия на диаметр и длину детали (диаметр 16 мм, длина 350 мм, материал сталь 30). Из графика видно (см. рис. 6), что при осевом воздействии происходит увеличение диаметра детали. При правке изделия с отклонением от прямолинейности 0,7-0,8 мм необходимо прикладывать напряжение сжатия 400-500 МПа (см. рис. 4), тогда диаметр детали увеличивается на 0,05-0,1%, а длина изделия уменьшается на 0,1-0,2%. При этом диаметр детали изменится на 0,04 мм, что будет соответствовать 9 квалитету, а длина - на 0,3 мм (11 квалитет). Изменения размеров изделий с одной стороны нежелательны, с другой стороны данный способ правки можно использовать для восстановления изношенных деталей.
Экспериментальными исследованиями установлено (см. рис. 3, 4, 5, 6), что данный способ можно применять для правки маложестких цилиндрических деталей диаметром в диапазоне от 10 до 30 мм при отношении мины к диаметру изделия от 10 до 30. При этом размеры детали будут соответствовать квалитетам 9-11 по диаметру и длине.
Оценка качества поверхностного слоя. При правке стесненным сжатием шероховатость поверхности деталей может изменяться только в зонах их контакта с опорными призмами. Для оценки шероховатости использованы реальные детали: шлифованная направляющая и упрочненный вал (рис. 7).
Для оценки качества поверхности, в зонах контакта 8ала и призмами, на приборе ЗиРТЮМС 3+ измеряли шероховатость детали на трех участках, расположенных в местах контакта детали с призмами.
Установлено, что у шлифованных деталей выправленных стесненным сжатием на поверхности контакта с призмами несколько изменяется шероховатость. Так, у детали с исходной шероховатостью Ра = 0,04 мкм, после правки стесненным сжатием она составила Ра = 0,06-0,08 мкм. Шероховатость упрочненных деталей после правки изменилась с Ра = 0,16 мкм до Яа = 0,18-0,20 мкм.
Упрочненные детали менее чувствительны к повреждению поверхностности, чем шлифованные. Это объясняется геометрией микронеровностей, которая у шлифованных деталей обладает меньшей жесткостью, чем у деформированных.
Измерение остаточных напряжений. Установлено, что в результате стесненного сжатия исходные остаточные напряжения практически полностью удаляются. Например, до правки остаточные напряжения в цилиндрических деталях составляли 226 МПа, а после правки с напряжением сжатия 500 МПа они снизились до 5 МПа (рис. 8).
200 150 100
50
о 100 200 300 400 500
Напряжение сжатия, МПа
Для определения влияния величины сил трения на качество правки в местах контакта призм с деталью использовали консистентную смазку литол 24, пластиковые вставки и сухое трение, Долю осевого усилия, приходящегося на трение в опорных поверхностях призм оценивали экспериментально. Для этого образец вставляли в приспособление с некоторым зазором между торцом и опорной поверхностью. При нагружении образца фиксировали осевое усилие до момента касания образца с опорной поверхностью.
Влияние коэффициента трения. Влияние условий трения на процесс правки оценивали по коэффициенту трения [2], который составлял для пары фторопласт-сталь - 0,04; литол-сталь - 0,10; сухое трение сталь по стали - 0,15, На рис. 9 показано влияние напряжения сжатия на прямолинейность детали при изменении трения в зонах контакта.
Установлено, что при снижении коэффициента трения для выправления изделия требуются меньшие напряжения осевого сжатия, Из графика видно (см, рис. 9), что трение в местах контакта детали с призмами значительно влияет на прямолинейность и величину напряжения сжатия. Так, снижая коэффициент трения с 0,16 до 0,04 для зыправления детали напряжение сжа-
тия снижается с 420 МПа до 370 МПа. Снижение трения, следовательно, и осевого напряжения сжатия способствует снижению искажения формы детали при правке.
Микроструктура. Для исследования микроструктуры материала валов до и после правки, было изготовлено по три партии цилиндрических образцов - упрочненных, горячекатаных и термообработанных. До и после процесса правки из образцов вырезали шлифы поперечного сечения, микроструктуру которых изучали на микроскопе МИМ-8М. На рис. 10 видно, что у фер-рито-перлитной структуры образцов после правки отдельные зерна принимают равноосную форму. При малой степени деформации это не всегда бывает заметно, При этом происходит снижение микропористости и повышение твердости стали.
Из выше изложенного следует, что правку стесненным сжатием маложестких цилиндрических деталей, можно рекомендовать для изделий с невысоким квали-тетом точности, например, для некоторых деталей сельскохозяйственной или горной техники. Так же можно использовать правку, как способ восстановления изношенных поверхностей деталей и окончательно обработанных изделий,
Рис. 9. Влияние напряжения сжатия на прямолинейность детали при изменении трения в зонах контакта
а) б)
Рис. 10. Микроструктура образцов из предварительно деформированной стали 30 с относительным обжатием 2% (х400)
до (а) и после (б) правки
Рис. 11. Зависимость допустимой величины исходного прогиба (а) и радиальных сжимающих напряжений (б) от диаметра и длины
детали
6 7
Рис. 12. Общий вид устройства для правки цилиндрических деталей стесненным сжатием
Возможности способа правки, Возможности предлагаемого способа правки ограничиваются исходной кривизной изделия. Если она превышает некоторую величину, то правка детали будет сопровождаться значительными изменениями шероховатости поверхности и точности размеров детали. На рис. 11,а показана зависимость максимально возможного начального прогиба, а на рис. 11,6 - напряжения радиального сжатия от диаметра и мины изделия.
Для правки использования .правки цилиндрических деталей стесненным сжатием было в промышленном производстве, было спроектировано в Autodesk inventor устройство (рис. 12). Оно предназначено для правки деталей диаметром 10-16 мм и длиной 100-250 мм.
Устройство для правки деталей стесненным сжатием состоит из двух зажимных головок с верхними и нижними клиновыми толкателями 1, 2, установленными с возможностью перемещения относительно неподвижных клиновых элементов 3, 4, от пружин 5 и ограничителей хода клинового толкателя 6, 13. Нижний подвижный клиновой элемент 4 закреплен на станине 7 силового механизма, Верхний неподвижный клиновой элемент 3 закреплен на траверсе 8, которая имеет возможность перемещаться перпендикулярно к оси обрабатываемой детали 9 через отверстие для силового гидроцилиндра 10. На станине 7 закреплена опора 15, на которой расположена система призм 11 для правки обрабатываемой детали 9. У системы призм 11 находится регулируемый ограничитель 12 радиального перемещения
системы призм 12, который регулирует ход толкателя 14 в зависимости от диаметра обрабатываемой детали 9.
Разработана расчетная математическая модель процесса правки маложёстких цилиндрических деталей стесненным сжатием, позволяющая определять остаточное напряженное и деформированное состояние выправленных изделий.
На основании численных данных установлено, что напряженное состояние детали и эффективность правки зависят от величины сжимающей нагрузки, условий трения и геометрии опорных призм.
Рассчитаны геометрические параметры деформирующего устройства для правки стесненным сжатием, обеспечивающие минимальные искажения формы дета-
ли. Определено влияние процесса правки стесненным сжатием на исходные остаточные напряжения, которые после правки снижаются в 40-50 раз.
Для повышения производительности правки, автоматизации контрольных операций спроектировано s Autodesk Inventor новое автоматизированное устройство, позволяющее править маложесткие цилиндрические детали.
Библиографический список
1, Шимкович Д.Г. Расчет конструкций б MSC.Naslran for Windows. - М,: ДМК Пресс, 2001. - 448с,
2. Справочник технолога-машиностроителя, В 2-х г. Т. 1 / Под ред, А,Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова, - 4-е изд., перерос, и доп. - М.: Машиностроение. 1986, - 656 с,
Я.И.Солер, Д.Ю.Казимиров, А.Б.Отрелков
АСТП плоского шлифования деталей из ВНС-2 высокопористым абразивным инструментом при нелинейной параметризации податливости
Марка 08Х15Н5Д2Т (ВНС-2) относится к высокопрочным коррозионно-стойким сталям и используется для изготовления ответственных деталей летательных аппаратов, подверженных при эксплуатации атмосферным воздействиям. Окончательная обработка таких деталей обычно выполняется абразивными кругами, обеспечивающими высокую производительность процесса, стабильность формы и требуемый микрорельеф поверхности, Повышение обрабатываемости стали 08Х15Н5Д21 в работе обеспечено использованием абразивных кругов высокой пористости [1,2). Как известно, для управления процессом необходимо назначить технологические параметры. Чаще всего технологии выполняют эту работу по таблицам, размещенным в нормативно-технических документах. Б настоящее время созданы предпосылки для автоматизации этой процедуры путем совместного использования ПК, программных продуктов и моделей I дисперсионного анализа (ДА) с постоянными факторами [3]. Оригинальностью предлагаемых моделей является присутствие в них операционного припуска, позволяющего учесть многопроходность процесса и податливости шлифуемых деталей. Как было показано в (4), совместное использование моделей и программ Slat-Ease Design-Expert 6.0.10, Statistics 6.0 и др, позволяет при необходимости провести многокритериальную оптимизацию процесса абразивной обработки. В ходе выполнения данного исследования была привлечена первая из указанных программ и в ней конкретно следующие разделы: смешанный план типа 24-31, матрица которого реализует реплику 3/4; многофакторный ДА, главной задачей которого служит выявление значимых эффектов; методы наименьших квадратов (НК-оценок) и максимума правдоподобия (МП-оценок), обеспечивающие пригонку прогнозируемых величин, предсказанных моделью, к средним наблюдений.
Опыты проведены при следующих неизменных условиях: плоскошлифовальный станок модели ЗГ71; опытные круги ЛП200*25Х?6 25А25ПСМ2 МЖ5/КФ40 высокой пористости; скорость резания ту ~35 м/с; высота деталей И = 30 мм; размер шлифуемой плоскости L х В = 40 х 25.4 мм; СОЖ - 5-процентная эмульсия Аквол-6 с расходом 7-10 л/мин.
Переменные условия исследования содержатся в табл.1.
В [5, 6] установлено, что влияние податливости заготовок на состояние обработанной поверхности чаще всего аппроксимируется нелинейной зависимостью. По этой причине был выбран смешанный план 2Л З1. В нем жесткость детали поддерживалась на трех уровнях; +1,00: 0,00; -1,00, - а для остальных технологических факторов ограничились двумя предельными значениями. Физическое моделирование переменной податливости заготовок вели на специальной установке с варьируемой жесткостью в горизонтальной плоскости по длине рамы [7]. В ходе исследования обрабатываемые детали сохраняли постоянные размеры и массу, При этом полагали, что их податливость определяется на-
