Технология стабилизации геометрических параметров деталей типа колец Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

90

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ТЕХНОЛОГИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ

о

ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ ТИПА КОЛЕЦ

Королев Альберт Викторович

Доктор техн. наук, профессор кафедры технология машиностроения, г. Саратов

Мазина Анжела Александровна

Аспирант кафедры технология машиностроения, г. Саратов

Яковишин Александр Сергеевич

Аспирант кафедры технология машиностроения, г. Саратов

Мухина Елена Вячеславовна

Аспирант кафедры технология машиностроения, г. Саратов

Нейгебауэр Кристина Сергеевна

Аспирант кафедры технология машиностроения, г. Саратов

Балаев Андрей Федорович

Канд. техн. наук, доцент кафедры технология машиностроения, г. Саратов

Савран Сергей Александрович

Аспирант кафедры технология машиностроения, г. Саратов

Тебякина Диана Сергеевна

Аспирант кафедры технология машиностроения, г. Саратов

АННОТАЦИЯ

Важнейшей задачей прецизионного машиностроения, а именно, подшипникостроения, на современном этапе служит разработка более эффективных технологических процессов изготовления деталей, обеспечивающих не только достижение высокой точности при минимуме затрат, но и сохранение первоначальных показателей точности в течение всего срока службы изделия. В статье рассматривается метод стабилизации геометрических параметров кольцевых деталей за счет исправления исходной геометрической формы и последующей релаксации остаточных напряжений.

ABSTRACT

The most important task of precision mechanical engineering, in particular, podshipnikostroeniya, at the present stage is the development of more efficient manufacturing processes ofparts, to ensure-ing not only to achieve high accuracy at low cost, but also to preserve the accuracy of the initial readings for the entire life of the product. In this paper the authors consider a method of stabilization of the geometric parameters of ring parts by repairing the original geometrical shape and the subsequent relaxation of residual stresses.

Ключевые слова: релаксация остаточных напряжений, стабилизация, кольцевые детали.

Keywords: relaxation of residual stresses, stabilization, ring parts.

В процессе исследования был отработан способ стабилизации кольцевых деталей, внедряющий в контакт с деталью трех вращающихся валков 1 и 2 (см. рис.1), распределенных под углом 120 градусов и обкатку детали вокруг ее оси [1]. Деформацию детали валками устанавливают из правила создания в ней упругих напряжений.

Под действием упругих напряжений, действующих в процессе ее вращения, можно эффективно удалить остаточные напряжения. Недостатком является то, что исправить исходную погрешность формы деталей этот способ не может.

Задачей настоящего изобретения, проанализированного в данной статье, служит обеспечивание придачи геометрических параметров кольцевых деталей, разъясняющей исправления исходной геометрической формы, и последующей релаксации остаточных напряжений.

Ожидаемым техническим результатом является повышение качества обработки изделий и расширение технологических возможностей способа.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе стабилизации кольцевых деталей, внедряющем в контакт с деталью трех вращающихся валков, распределенных под углом 120 градусов, и обкатку детали вокруг ее оси, деталь деформируют валками на величину, определяемую равенством:

и = кр

f

0.23

W\vt ]• D2

E • J

W\*t ] 1

E • F

У

(1)

где d, - диаметр наружной поверхности заготовки; W

- момент сопротивления изгибу; [ст] - предел текучести материала детали; E - модуль упругости материала детали; Jo

- осевой момент инерции сечения детали; к - коэффициент допустимой погрешности

kp =(1.4 —1.7); F - площадь сечения детали. Следовательно, если деталь деформируют на величину, при которой в ее сечении возникают напряжения, рав-

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

91

ные пределу текучести, то при вращении детали вдоль ее окружности возникает пластическая деформация, которая способствует исправлению погрешностей ее геометрической формы: волнистости, овальности, гранности. После нескольких ее оборотов пластическая деформация переходит в упругую, и, при дальнейшем ее вращении в течение некоторого времени, определяемого экспериментально,

осуществляется циклическая упругая деформация детали, что обеспечивает стабилизацию оставшихся напряжений [2, 3]. После снятия нагрузки деталь приобретает правильную форму.

Сущность изобретения поясняется на рис. 1, где изображена схема обработки.

Рис.1. Схема стабилизации кольцевых деталей: 1 - деталь, 2 - три вращающихся валка

Рассмотрим численный пример. Обработке подвергают внутреннее кольцо шарикоподшипника 204; Наружный диаметр D=28.1 мм; диаметр отверстия d=20 мм; высота H=14 мм; радиус желоба rg=4.63 мм; диаметр по дну желоба dd=24.5 мм; площадь поперечного сечения F=49.4 мм; осевой момент инерции сечения кольца J=206.6 мм ; момент сопротивления изгибу W=32.18 мм.

Материалом колец является закаленная сталь ШХ15: модуль упругости £=210000 МПа; предел текучести st=820 МПа.

Деталь подвергаем бесцентровой обработке между тремя валками, расположенными под углом 120 градусов. Валки деформирую деталь в трех точках на величину:

и = 1.4

"02332.18 -820 • 28.12 + . 210000-206.6

32.18-820 210000-49.5

0.158 мм,

1 _ 1 a 2tg (а / 2)

(2)

При установке заготовки в призме с углом а = 1200, км = 0,0945, при установке заготовки на плоскость а = 1800, к = 0,159. М

Подставляя равенство (2) в выражение (1), найдем предельное значений статической силы, приложенной к заготовке, которая не вызывает остаточной деформации кольца:

P <

Wa

KJD.

равенством:

W = J,

Y

(3)

(4)

где Jo - осевой момент инерции сечения; Ymax - расстояние от центральной оси до места расположения максимальных напряжений.

Примем декартовую систему координат (рис.1). Ось OX направим вдоль оси заготовки, ось OY - вдоль оси симметрии ее поперечного сечения. В таком случае центр системы координат расположится в центре симметрии поперечного сечения заготовки. Так как сечение кольца представляет собой соединение двух простых фигур: прямоугольника и сегмента, то из геометрических соображений несложно определить осевой момент сечения заготовки относительно оси OX:

0.3 0.5В

Jx= J y1(B-2^2r{p.5D:l-y)-(p.5D:It-y)}th+B J /ф, (5)

0-5Д*. 0.5 Вд

где Ц, . диаметр по дну рабочей поверхности; г - радиус профиля рабочей поверхности заготовки; ds- - диаметр отверстия заготовки.

Осевой момент сечения заготовки найдем с использованием выражения (5):

82

J0 = Jx + —,

0 x f

(6)

где F - площадь сечения кольца; Sx - статический момент площади относительно оси OX.

Величины F и S найдем из выражений, аналогичных выражению (5):

0-5Вг " "

F= J (B-2^2r(0.5Dx-y)-(0.5Dx - 1’})ф- + ^ 3(П - £>*>, ■■ _____________________._______________ _________.

0.5Од ____________________________ 0.5В

5,= J у{В-2^j2r{0.SD^ - у)-{OSD^-y)}dy + В J уф.

0.5D*, 0.5В.Ъ

(7)

(8)

92

Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Интегральные выражения в равенствах (5), (7) и (8) можно выразить в явных функциях. Но, на наш взгляд, это не имеет смысла, так как загромождает текст, в то время как современная вычислительная техника легко справляется с решением подобных выражений.

Величину деформации колец определим по формуле И.А. Биргера [4]:

P ■ D

PD,

a sina 2sinz(0.5aY

2 -(—I------------------)+ 2 v

16.8EJsrnz(0.5aj 4 4 a 4EFsinz(0.5a) 4

a sin a

<т *—>

(9)

Обозначим:

1

8sin2(0.5a)

(a + sin a),

KU1 = KU2 - -.

a

Тогда выражение (9) примет вид:

вой обкатки в материале детали накапливается внутренняя энергия, которая концентрируется в зоне остаточных напряжений, вызывает в этой зоне микроскопические пластические сдвиги и релаксацию напряжений без существенного изменения ее формы и размеров. Время, необходимое для полной релаксации напряжений, или необходимое число циклов нагружения определяется аналитически или экспериментально, и зависит от величины остаточных напряжений, степени упругой деформации детали, частоты нагружения и величины внутреннего трения материала детали.

В заключении хочется отметить, что в способе кроме длинномерных деталей, которые под действием валков упруго деформируют вдоль оси, предлагаемым способом возможна обработка коротких кольцевых деталей, так как валки обеспечивают возможность поперечной упругой деформации стенок деталей. Таким образом, обеспечивается повышение качества обработки, и расширяются технологические возможности способа.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России Соглашение № 14.574.21.0015 от 17.06.2014 УИС RFMEFI57414X0015.

P ■ D3 PD. г

и =-----K +-----Ки2 •

u1 2EF и

(10)

где <т - предел упругости материала детали, МПа; Кв =0.094; d - внутренний диаметр детали, мм; w - момент сопротивлению изгибу, мм3, а обкатку детали осуществляют до устранения остаточных напряжений.

Следовательно, если силу прижима инструмента к детали выбирают из условия возникновения исключительно упругой деформации детали, то при обработке не возникают новые напряжения, не изменятся ее форма и размеры. В результате наличия внутреннего трения за счет многоцикло-

Список литературы:

1. Патент RU 2278031 С2 В24В 39/04; В23Р 25/00 Способ релаксации остаточных напряжений. Бюл.№9, 27.03.2013.

2. Korolev, A.V, Filomonov, E.V., Bolkunov, V V, Korolev,

A.A. Waste-free manufacture of shaped rollers (2009) Russian Engineering Research, 29 (12), pp. 1258-1260.

3. Korolev, A.V, Korolev, A.A., Vasin, A.N. High-efficiency automated line for precise cold rolling of bearing rings (2010) Russian Engineering Research, 30 (7), pp. 751-752.

4. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. М.: Машиностроение, 1963. - 232 с.