CC BY
59
УДК 621.787
ТОЧНОСТЬ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА В ПОЛЫХ ТОЛСТОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРАХ, ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДОРНОВАНИЕМ С БОЛЬШИМИ НАТЯГАМИ
В.Ф. Скворцов, И.С. Охотин, А.Ю. Арляпов
Томский политехнический университет E-mail: TMRI@tpu.ru
Изложены результаты статистических исследований точности глубоких отверстий малого диаметра в полых цилиндрах при дор-новании с большими натягами. Установлено, что с повышением степени толстостенности полых цилиндров от3,5до 7увеличи-ваются отклонения профиля продольного сечения обрабатываемых дорнованием отверстий и происходит снижение их точности. Выявлено, что указанные отклонения вызываются возникающими в полых цилиндрах при дорновании отверстий осевыми остаточными напряжениями.
Ключевые слова:
Дорнование отверстий, режим дорнования, точность отверстий, толстостенные цилиндры, остаточные напряжения. Key words:
Hole mandrelling, mandrelling parameters, hole accuracy, thick-walled cylinders, residual stresses.
Дорнование глубоких отверстий малого диаметра (С=1...5 мм, Ь/С=3...100, где Ь - глубина отверстия), выполняемое твердосплавными инструментами с большими натягами (свыше 0,03С), является простым и весьма производительным методом их отделочно-упрочняющей обработки [1]. Большую группу деталей, содержащих глубокие отверстия малого диаметра, образуют полые цилиндры различной степени толстостенности, характеризуемой отношением их наружного диаметра к диаметру отверстия (О/С). Для эффективного применения дорнования при изготовлении деталей этой группы необходимо располагать данными об обеспечиваемой им точности отверстий, которые в настоящее время являются очень ограниченными.
Исследования проводили статистическим методом (методом малых выборок) на образцах в виде полых цилиндров из стали 20 (НВ 1480 МПа) с диаметром отверстий около 2 мм, наружным диаметром 7 мм (Д/С=3,5), 10 мм (Д/С=5) и 14 мм (Д/С=7), высотой (глубиной отверстия) 12 мм. Объем выборок составлял 22 образца. Отверстия получали сверлением спиральным сверлом при скорости резания около 10 м/мин и ручной подаче, которая составляла 5.10 мм/мин. Дорнование отверстий выполняли на вертикально-сверлильном станке однозубыми дорнами из твердого сплава ВК8 с применением специального приспособления [2]. Углы рабочего и обратного конусов дорнов составляли 6°, а ширина соединяющей их цилиндрической ленточки - 2 мм. Дорнование отверстий осуществляли за три цикла с суммарным натягом 0,09.0,22 мм. Натяги на втором и третьем циклах соответственно составляли 0,032 мм и 0,0065 мм. Скорость дорнования была около 0,5 м/мин. В качестве смазочного материала при дорновании использовали жидкость МР-7. Указанные режимы и условия дорнования были выбраны на основе предварительно проведенных экспериментов и обеспечивали точность отверстий, близкую к предельно достижимой.
Измерения диаметров отверстий и погрешностей их формы после сверления производили нутромером фирмы «Carl Zeiss Jena» (Германия), оснащенным измерительной головкой с ценой деления 0,002 мм, а после дорнования - компаратором с перфлектометром фирмы «Leitz» (Германия) с ценой деления 0,0002 мм. Измерения выполняли в двух продольных и трех поперечных сечениях отверстий (в среднем по высоте цилиндров и на расстояниях около 1 мм от их торцов). У каждого отверстия определяли минимальный, максимальный и средний диаметр. Точность обработки отверстий оценивали по параметрам распределения среднего диаметра (среднего арифметического из шести значений диаметра, измеренных в указанных сечениях), минимального и максимального диаметра, а также отклонения профиля продольного сечения и овальности. Комплексную оценку точности производили по величине суммарного поля рассеивания диаметров [3]
= 3Sdmin + (dmax - dmin ) + 3sd„ •
Здесь dmin, dсредние значения минимальных и максимальных диаметров отверстий в выборке; sdmin, sdmax - их средние квадратические отклонения.
Проверку гипотез равенства выборочных дисперсий и средних выполняли соответственно по критериям Фишера и Стьюдента при доверительной вероятности 0,95 [4].
Результаты исследований точности отверстий после различных обработок приведены в таблице.
Анализ результатов исследований показал, что дисперсии средних, минимальных и максимальных диаметров, отклонений профиля продольного сечения и овальности, а также средние значения перечисленных параметров отверстий после сверления в полых цилиндрах различной степени толстостенности различаются несущественно. Следовательно, по полученным данным можно объективно оценить влияние степени толстостенности
Математика и механика. Физика
полых цилиндров на точность отверстий после дорнования.
Установлено, что с увеличением степени тол-стостенности полых цилиндров средние значения средних диаметров отверстий после дорнования уменьшаются. При этом дисперсии средних диаметров отверстий после дорнования различаются в целом несущественно.
Начиная со второго цикла дорнования, с повышением степени толстостенности полых цилиндров, как видно из таблицы, увеличиваются средние значения отклонений профиля продольного сечения отверстий (диаметр отверстия у торцов оказывается несколько меньше, чем в остальной части полого цилиндра). Причем, если при увеличении Б/й от 3,5 до 5 средние значения отклонений профиля продольного сечения отверстий, например, после третьего цикла дорнования возрастают с 0,0010 до 0,0013 мм, то при увеличении Б/й до 7 они возрастают более интенсивно и становятся равными 0,0033 мм. Дисперсии отклонений профиля продольного сечения отверстий в полых цилиндрах различной степени толстостенно-сти различаются в целом несущественно. Влияние степени толстостенности полых цилиндров
на овальность обработанных дорнованием отверстий является незначительным.
Таким образом, повышение степени толсто-стенности полых цилиндров ведет к увеличению отклонений профиля продольного сечения обработанных дорнованием отверстий и, как следствие, к увеличению суммарного поля рассеивания их диаметров. Причем в полых цилиндрах с D/d=3,5 и D/d=5 с увеличением числа циклов дорнования средние значения отклонений профиля продольного сечения отверстий неуклонно снижаются и их точность по параметру Дх возрастает. В полых цилиндрах же с D/d=7 этого не происходит: средние значения отклонений профиля продольного сечения отверстий и Дх с увеличением числа циклов дорнования остаются близкими к их значениям после первого цикла дорнования.
В целом при трехцикловом дорновании отверстий в полых цилиндрах с D/d=3,5 и D/d=5 точность отверстий по параметру Дх возрастает с IT 13 до IT7, в полых цилиндрах с D/d=7 -с IT13 до IT8.
Рассмотрим причину образования отклонений профиля продольного сечения отверстий, возникающих при дорновании. Уместно предположить,
Таблица. Значения параметров точности отверстий в полых цилиндрах после различных обработок
Степень толстостенности полых цилиндров Метод обработки отверстий Диаметр отверстия, мм Среднее значение среднего диаметра отверстий и его среднее квадрати-ческое отклонение", мм Среднее значение овальности отверстий и его среднее квадратическое отклонение, мм Среднее значение отклонения профиля продольного сечения отверстий и его среднее квадратическое отклонение, мм Суммарное поле рассеивания диаметров отверстий, мм
3,5 Сверление 1,994...2,114 2,048 0,01421 0,0055 0,00346 0,0148 0,00893 0,12790
Дорнование (диаметр дорна 2,1720 мм) 2,1580...2,1688 2,1643 0,00109 0,0012 0,00054 0,0025 0,00074 0,01460
Дорнование (диаметр дорна 2,2035 мм) 2,1878...2,1976 2,1939 0,00105 0,0012 0,00058 0,0010 0,00047 0,01159
Дорнование (диаметр дорна 2,2100 мм) 2,1946...2,2024 2,1994 0,00086 0,0010 0,00043 0,0010 0,00047 0,00921
5 Сверление 1,990...2,110 2,045 0,01617 0,0057 0,00272 0,0154 0,00860 0,14215
Дорнование (диаметр дорна 2,1720 мм) 2,1566...2,1692 2,1627 0,00070 0,0013 0,00073 0,0032 0,00072 0,01514
Дорнование (диаметр дорна 2,2035 мм) 2,1864...2,1958 2,1915 0,00088 0,0010 0,00055 0,0014 0,00066 0,01113
Дорнование (диаметр дорна 2,2100 мм) 2,1938...2,2018 2,1975 0,00069 0,0011 0,00060 0,0013 0,00056 0,00975
7 Сверление 1,990...2,116 2,045 0,01255 0,0063 0,00413 0,0169 0,01206 0,14296
Дорнование (диаметр дорна 2,1720 мм) 2,1564...2,1686 2,1611 0,00100 0,0009 0,00048 0,0027 0,00067 0,01379
Дорнование (диаметр дорна 2,2035 мм) 2,1830...2,1964 2,1899 0,00078 0,0011 0,00052 0,0036 0,00072 0,01603
Дорнование (диаметр дорна 2,2100 мм) 2,1892...2,2016 2,1956 0,00093 0,0008 0,00046 0,0033 0,00055 0,01463
"В числителе - средние значения, в знаменателе - средние квадратические отклонения параметров точности отверстий
что эти отклонения возникают под действием осевых остаточных напряжений, формирующихся в полых цилиндрах при дорновании отверстий. Указанные напряжения, являясь сжимающими в прилегающей к отверстию области полого цилиндра [5], постепенно затухают при приближении к его торцам и оказываются на них равными нулю [6]. Следовательно, в соответствии с обобщенным законом Гука вблизи торцов окружная остаточная деформация на поверхности отверстия и его диаметр будут меньше, чем в остальной части полого цилиндра, т. е. отверстие будет иметь соответствующее отклонение профиля продольного сечения. Так как с повышением степени толстостенно-сти полых цилиндров осевые остаточные напряжения возрастают [5], то отклонения профиля продольного сечения обработанных дорнованием
Рисунок. Форма отверстия в продольном сечении полого цилиндра: а) после дорнования; б) после дорнования и удаления с торцов припусков г
Для проверки высказанного предположения был проведен эксперимент на полых цилиндрах из стали Х12Ф1 (НВ 2100 МПа) с диаметром отверстий около 2 мм, наружным диаметром 10 мм
(D/d=5) и высотой 30 мм, которые были подвергнуты одноцикловому дорнованию с натягом 0,2 мм. Суть эксперимента состояла в сопоставлении отклонений профиля продольного сечения обработанных дорнованием отверстий до и после удаления с их торцов припусков, равных длине искаженных участков отверстия. Вполне очевидно, что если эти отклонения порождаются осевыми остаточными напряжениями, то до и после подрезки торцов полых цилиндров они должны иметь близкие значения.
На рисунке утрировано показана форма отверстия в продольном сечении полых цилиндров до (а) и после (б) удаления с их торцов указанных припусков. Длина l искаженных участков отверстия была около 4 мм, припуск z был принят равным l. Отклонение профиля продольного сечения (EFP) отверстия после дорнования составило 0,0030 мм, а после последующего снятия припуска z - 0,0025 мм. Следовательно, можно утверждать, что образование отклонений профиля продольного сечения обработанных дорнованием отверстий в полых толстостенных цилиндрах происходит под воздействием формирующихся в них осевых остаточных напряжений.
Выводы
С увеличением степени толстостенности полых цилиндров от 3,5 до 7 возрастают отклонения профиля продольного сечения обрабатываемых дорно-ванием глубоких отверстий малого диаметра, и их точность снижается. Это происходит из-за воздействия сформированных в полых цилиндрах при дорновании отверстий осевых остаточных напряжений. При трехцикловом дорновании отверстий в полых цилиндрах со степенью толстостенности 3,5 и 5 их точность возрастает с IT13 до IT7, в полых цилиндрах со степенью толстостенности 7 -с IT13 до IT8.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скворцов В.Ф., Арляпов А.Ю. Дорнование глубоких отверстий малого диаметра. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 92 с.
2. Скворцов В.Ф., Арляпов А.Ю., Охотин И.С. Дорнование глубоких отверстий малого диаметра в толстостенных заготовках с большими натягами // Современные проблемы в технологии машиностроения: Сб. трудов Всеросс. научно-практ. конф. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - С. 164-167.
3. Кораблев П.А. Точность обработки на металлорежущих станках в приборостроении. М.: Машгиз, 1962. - 228 с.
4. Солонин И.С. Математическая статистика в технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 1972. - 216 с.
5. Скворцов В.Ф., Охотин И.С., Арляпов А.Ю. Остаточные напряжения при дорновании отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах с большими натягами // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 316. -№ 2. - С. 24-27.
6. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963. -232 с.
Поступила 08.07.2010г.
