ТОЧНОСТЬ ЦЕНТРОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТОЧНОСТЬ ЦЕНТРОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ

В. В. ЕРОХИН, доцент, канд. техн. наук, БГТУ, г. Брянск

Под параметрами точности технологической оснастки будем понимать параметры точности размеров, отклонения формы, волнистости и шероховатости поверхностей деталей технологической оснастки. Данные параметры влияю- на погрешность установки заготовки, режущего и контрольного инструмента в технологической оснастке, что непосредственно влияет на точность формообразования детали или ее измерения.

Рассмотрим сопряжения конус-конус как наиболее характерные и распространенные из центровых сопряжений оснастки (до 80 % деталей типа валов обрабатывается при их установке в технологические центры). К данным сопряжениям предъявляются строгие требования по параметрам точности, но эти требования не являются обоснованными и тем более оптимальными по себестоимости их обеспечения.

Так основной составляющей погрешности установки заготовки в центрах является погрешность закрепления е30, мм, которая составляет 60...87% от погрешности установки заготовки. Эта составляющая погрешности установки для сопряжений конус-конус слабо формализована и эксперимента лкнп обоснована, она определяется по формуле

е,о = (е2

+ е2 )0-5

N зо.мр' '

(1)

где е^м - составляющая погрешности е^, зависящая от неравномерности прилагаемого усилия зажима или составляющей усилия зажима, приходящейся на установочную опору в направлении выдерживаемого размера, мм; езанр - составляющая погрешности е^, зависящая от неравномерности распределений геометрических параметров рельефа, параметров качества поверхностного слоя области контакта закрепляемой заготовки с установочными опорами в направлении выдерживания технологического размера, мм.

Формула (1) определяет процесс деформации конического сопряжения с учетом его равномерного износа при эксплуатации, т.е. погрешность закрепления от износа (значение изнашиваемой площади контакта сопряжения постоянно) предполагается равной нулю.

При решении задачи дискэетного контакта воспользуемся основами приведения задачи дискретного контакта к континуальной модели.

Для сопряжения конус-конус деформация контактирующих поверхностей будет прсисходить в двух направлениях: пэодольном (осевом) и поперечном (радиальном).

зо.№ ^УKT.yn.Nz + ^Укт.пл.Ыг .N2'

KT.rm.Nr .Ыг»

^ЗО.Ыг ^УKT.yn.Nr

(2)

где г, г - индексы, определяющие погрешности закрепления или контактные деформации соответственно в продольном (вдоль оси симметрии конуса) и поперечном (радиальном) направлениях; Ау^ АуетплЫ - колебания значений соответственно упругих и пластических контактных деформаций без учета рельефа сопрягаемых поверхностей (шероховатости, волнистости, макрооткло-

нений) вследствие непостоянства силы А/, действующей в продольном направлении на сопряжение конус-конус, мм; Дусб м г, Аусб ч г - контактные сближения рельефов поверхностей сопряжения, мм.

В формуле (2) учитываются только контактные деформации, так как они составляют 80...95% от всей совокупности деформаций. Это обусловлено эксплуатационными требованиями к деталям станочной оснастки - по ГОСТ 13440-68 (носит рекомендательный характер) базирующие поверхности установочных опор (или других сопрягаемых деталей оснастки) не должны воспринимать давление более ат /15 (от - предел текучести материала опоры, МПа). Такое соотношение обеспечивает приработку сопрягаемых поверхностей при их износе согласно теореме Мелана с учетом критерия текучести Треска.

На рис. 1, а показано сопряжение двух конусов с одинаковыми углами а. Однако в реальных условиях углы конусов не равны друг другу (рис. 1, б).

Рис. 1. Сопряжение конус-конус: а - углы при конусах равны; б - углы при кэнусах различны

Поля рассеивания значений контактных упругих деформаций в сопряжении конус-конус от непостоянства внешней силы N определяются из выражений

^укт.

0Л/

уп.Ы.г

1п

16 Г

16 г

^укт.уп^.г ^укг.уп^.г

где кр - коэффициент колебания силы закрепления партии заготовок в приспособлении, зависящий от условий закрепления и типа привода, определяемый

как % = ("та* - ^тш^тах = ДЛ//Л/тах (ДЛЯ РУЧНЫХ ЗЭЖИМОВ

можно принимать кр=0,3; при наличии пневматических, гидравлических, пневмогидравлических и других зажимных устройств прямого действия Ар=0; если допуск на размер заготовки влияет на силу зажима, что возможно при использовании пневмокамер, тневморычажных систем, мембранных патронов и других устройств, то кр=0,2); 0 - упругая постоянная соприкасающихся тел, МПа-1; г = го/з1п0,5а1 - наибольший радиус сопряжения конус-конус при упругой деформации, мм; /? - ширина

№ 1 (34)2007 1

С^ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

площадки контактирования двух конусов (/? </), мм; а,, а2 - углы при вершинах соответственно охватываемого и охватывающего конусов, рад; а - угол при вершине охватываемого или охватывающего конуса, материал которого имеет большее значение предела текучести от (при равенстве значений предела текучести контактирующих материалов а = 0,5(а1 -+ о^)), рад.

Е, Е2

(3)

где ц, Е - соответственно коэффициент Пуассона и модуль упругости первого рода (МПа).

Обозначая максимальный разброс между углами конусов как 5а = | а, - с^ |, получим

sinfO,5SJ '

sin(0,5 SJ

где 5 - контактное сближение двух конусов в направлении, нормальном к поверхности контакта, без учета их рельефа, мм; у^ - контактное сближение сопряжения с учетом рельефа (макроотклонений, волнистости, шероховатости) поверхностей конусов, мм.

8 ел/

ш rc2rsin0,5a

LambertW

16r VsinfO, 5Sft ;sinO, 5a QN

\т~Н'} ^mbertW

16 r2 7t2si r\( 0,5 S(Jsi nO, 5a QNO-kJ

где LаmbeгtW - функция Ламберта.

Поля рассеивания значений контактных пластических деформаций без учета рельефов контактирующих поверхностей конусов от непостоянного значения внешней силы N вычисляются по следующим формулам:

^Укт.пл.№ ~~ Укт.пл.№ ~ ~ Укт.пл.№ (Г\ ~ ^1тах)'

ДУкт.п^г = 0'5аДУк,пл.М2-

материала конуса с минимальным значением предела текучести ст.

.N.2 (Усб.тах

АУсб.м.г = дУсб.м.2/190,5а,

где усб тах, у^ т|п - наибольшее и наименьшее значения нормальных контактных сближений сопряжения с учетом рельефа поверхностей, мм.

Усб .тах ^сб.пл.тах1 ) + <Усб.

ул.maxi Усб.уп.тах2^'

(5)

Усб .mir» *'5б.пл.т1п1 + УСб .пл.тод) (Уcüyn.mini + Усб •yn.i

yn.min2''

где усб пл - пластическое контактное сближение сопряжения, мм; у^^ - упругое контактное сближение сопряжения. мм.

В формулах (3) и (5) индексы 1 и 2 относятся соотве--ственно к двум контактирующим телам.

( J_NRpfWp^'Hp?

сб.пл.тах! {(с'к'с т)т1пАтахЩЩЛ"

tmM<sin 0,5а

У<Я.\

[(c'k'cj,

A/ffpg7 Wp£*2 Нр%*

minArnaxtm2tmw2tmM2 0

770,5а]

v,+v„,+v.

Усб,

Усб.пл.

maxi

п-ил

р/' 'тах

Усб = Усб .пл.тах2

ffhi I Л

UAn« V2+V"J4VM2

Усб .yn.maxl

Усб .уп.тах2

2 nc%om2Sm2( 1 -м22)усб.пл.тах2/Н2Яа2;

Уc6.yn.min1 = 27CCXöm1Sml(1^12)yc6.nn.minl/E1flai;

Расчеты по нахождению пластических деформаций без учета рельефа основываются на гипотезе плоских сечений. Напряжения, возникающие при пластических деформациях, определяются по формуле

КТ.ПЛ.№ =

V

Eö^sin 0,ba (2 6, + V

¿Г1

ro)

^fyi - - 2ц)In ^j+(-641 - 2фц++ ф)^ ~ ri)]J» (4)

где ф=

В формуле (4) значения параметров ц и Е берутся для 12 № 1 (34) 2007

Усб .уп.т1п2

где Яр, И/р, Нр - высоты сглаживания профиля соответственно шероховатости, волнистости, макроотклонения, мм; v, ум - параметры начального участка опорной кривой соответственно шероховатости, волнистости, макроотклонения; с' - коэффициент стеснения материала; К - степень упрочнения поверхностного слоя; гт, Г/п^, £/77м - относительные длины опорной линии на уровне средней линии соответственно шероховатости, волнистости, макроотклонения; 5т - средний шаг неровностей профиля шероховатости, мм; Е - модуль упругости первого рода, МПа; Яа - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости, мм; А - номинальная площадь контакта, мм2.

Для сопряжения конус-конус минимальная и максимальная площади А определяются по формулам

ТЕХНОЛОГИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Алах =*<Г0+ '«г»~ Лтах «ПО,5а)

' Г-Г 4

'О '1тШ | ^

ею 0,5а

Минимальный и максимальный радиусы сопряжения определяются из уравнений

МП-кр) =

Ш5Г

/ / \

1-

V 1 Го )

V Г

I '1 тах

I $1п0,5а

N = ■

ЛОтт|п { н Чгып г"1 ^тп

5, Я] ^¡п0,5а J

где а11|1||;|| - наименьшее из двух значений предела текучести материалов контактирующих поверхностей, МПа; 81 = 2/^/а, где fCK - коэффициент трения скольжения.

Составляющая погрешности еэо, зависящая от неравномерности распределений геометрических параметров рельефа, параметров качества поверхностного слоя области контакта закрепляемой заготовки (или другой переналаживаемой оснастки) с установочными опорами, определяется по формуле

с2 = с2 + р2

зо.нр зо.нррф зо.заг*

где е

зо.нр.рф' зо.заг

- составляющие погрешности закре-

пления, обусловленные соответственно неравномерностью геометрических параметров рельефов сопряжений базир>ющих поверхностей партии заготовок с установочными поверхностями установочных опор и неравномерностью параметров качества поверхностного слоя базирующих поверхностей партии заготовок, мм.

Зададим постоянные параметры деталей приспособления и заготовки, такие как модуль упругости первого рода (£), коэффициент Пуассона (ц).

Погрешность ^^рф вычисляется по следующей формуле:

'зо.нр.рф

Ду,

пл.рф.заг

+ ду

пл.рф.пр + ДУуп.рф.заг + ДУуп .рф.пр'

где ДУгл.рф.^ ДУпл.рф.пр - неравномерность пластических контактных деформаций рельефа поверхностей соответственно заготовки и приспособления в направлении выдерживаемого технологического размера вследствие неравномерности геометрических параметров рельефа сопрягаемых поверхностей, мм; Ду^^.ыч ДУуп.рф.пр " не" равномерность упругих контактных деформаций рельефа поверхностей соответственно заготовки и приспособления в направлении выдерживаемого технологического размера вследствие неравномерности геометрических параметров рельефа сопрягаемых поверхностей, мм.

Погрешность гзо заг вычисляется по формуле

сти физико-механических параметроз поверхностного слоя в области контакта заготовок с установочными опорами приспособления, мм.

ДУп

г (с'

ЫЯр^р^Нр'

пл.рф.заг с'к'з„АШт„^м0 - к^ )П - кт„ )0 - к,тм)

(6)

где /с{т, /с1ту/, /с1тМ - коэффициенты относительной неравномерности параметров относящихся соответственно к шероховатости, волнистости, макроотклонениям поверхности заготовки и зависящих от условий предшествующей обработки поверхности; кц, к^, ки - коэффициенты относительной неравномерности высотных параметров соответственно шероховатости, волнистости, макроотклонений заготовки; к^ к % кУи - коэффициенты относительной неравномерности параметров V опорной кривой соответственно шероховатости, волнистости, макроотклонений заготовки.

Коэффициенты относительной неравномерности в формуле (6) и дэугих формулах определяются аналогично коэффициенту кт.

к ^тах-^т.п = ^ГГ) ^тах ^тах

Ь-пЗ

1-(1-/с8)(1-*я)

(1-*„)

где кв - коэффициент относительной неравномерности шаговых параметров шероховатости.

ДУГ

пл.нр.заг

NRp УУр " Нр и

1 аостР ^ост)\(4 #. •

о.(1-*.) Г'-

-1

где /с0С7, ка - коэффициенты относительной неравномерности соответственно остаточных напряжений и предела текучести (условного) в поверхностном слое заготовки в области ее контакта с установочными опорами.

ДУуп нР »г= 2гсс'

;осф и ——л_

ат5т<±т^

^угтл,

нр.заг

+ Ду

ул.нр.заг*

где Дупл.нр.заг* ДУуп.нр.заг" неравномерность соответственно пластических и упругих контактных деформаций рельефа поверхностей заготовок в направлении выдерживаемого технологического размера, вследствие неравномерно-

Погрешности Дуплрфпр и Ду^ ^р определяются аналогично Дупл.рф-3£Г и Дупл рф „р. только вместо параметров качества поверхностного слоя заготозки подставляют параметры качества поверхностного слоя контактирующих конических поверхностей оснастки

Экспериментально была выполнена проверка теоре-

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ТЕХНОЛОГИЯ

тических формул, которая показала следующее.

1. Процесс контакгирования конических поверхностей неустойчив: конусы не только деформируются в продольном и поперечном направлениях, но и интенсивно поворачиваются в любом случайном направлении.

2. С увеличением угла конуса погрешность закрепления уменьшается.

3. С увеличением диаметра центрового конического отверстия увеличиваются погрешность закрепления и устойчивость положения конусов.

4. Для диаметров центровых отверстий от с/ = 4,0 мм и больше (сУ - диаметр центрового отверстия формы А, ГОСТ 14034-74) при отношении условного предела текучести материала к номинальному контактному давлению большем 8,75(ат/рк > 8,75, рк - контактное давление в сопряжении) теоретические зависимости имеют относительную погрешность в пределах от -5 до 123 %.

5. Относительная погрешность теоретических формул по сравнению с экспериментальными данными уменьшается при уменьшении значений шероховатости, волнистости и макроотклонений поверхностей конического сопряжения, а также при снижении несоосности осей охватываемого и охватывающего конусов.

6. На устойчивость положения нагружаемого конического соединения существенно влияют параметры шероховатости, волнистости и отклонения формы поверхности.

Работа выполнялась в соответствии с грантом Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых по теме «Определение и обеспечение оптимальных проектных параметров качества станочных приспособлений и их элементов» с финансированием Министерством образования и науки Российской Федерации (шифр МК-9356.2006.8).

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ШЛИФОВАЛЬНЫХ ЗЕРЕН ОБДИРОЧНЫХ КРУГОВ НА ТЕОЛОНАПРЯЖЕННОСТЬ ПРОЦЕССА ШЛИФОВАНИЯ

А.Н. Короткое, профессору доктор техн. наук, КузГТУ Д.М. Дубинкин, начальник конструкторского бюро ОГТ ООО «Кемеровохиммаш», г. Кемерово

В настоящее время обдирочные шлифовальные круги на бакелитовой связке широко применяются во многих сферах машиностроения.

Процесс обдирочного шлифования (как, впрочем, и других видов шлифования), как известно, сопровождается большим выделением тепла [1]. Значительная часть этого тепла уходит в обрабатываемую деталь и это непосредственно сказывается на качестве обрабатываемой поверхности. Шлифуемая поверхность под действием высокой температуры приобретает цвета побежалости, шлифовочные прижоги, трещины, и происходит её поверхностная закалка.

В этом свете представляется полезным знать, какие факторы и в какой мере влияют или могут повлиять на те-плонапряженность процесса шлифования. К таким факторам относится, в частности, форма шлифовальных зерен, из которых изготавливаются шлифовальные круги. В обычных кругах форма зерен произвольно колеблется от изометрических до пластинчатых разновидностей. Можно, однако, изготовить шлифовальные круги с контролируемой формой зерен. Такие круги были изготовлены на кафедре металлорежущих станков и инструментов КузГТУ, и в их составе находились зерна только одинаковой узкоклассифицированной формы. Характеристика этих кругов имела вид

ПП 150x25x32 13А 63Н [Кф] 35 37 БУ,

где параметр [Кф] - это коэффициент формы зерен, количественно интерпретирующий разновидность той или иной формы зерен в данном круге в виде отношения диаметров описанных и вписанных окружностей относительно контура рассматриваемых зерен.

Коэффициент формы зерен в инструментах дискретно изменялся следующим образом: /Сф1 = 1,28 - круги из

14 № 1(34)2007

зерен изометрической формы; Кф2 = 1,52 - круги из зерен промежуточной формы; /Сф3 = 1,81 - круги из обычных зе-рен; Кф4 = 2,3 - круги из зерен игольчатой формы.

Экспериментальные круги (в количестве 24 штук) испытывались на операции обдирки сварных швов специальных заготовок. Заготовки представляли собой фрагменты из листовой стали с двухсторонним скосом кромок по ГОСТ 8713-79-С21, соединенные между собой автоматической сваркой под слоем флюса. Сварка образцов пэоизводилась согласно стандартному сбороч-но-сварочному технологическому процессу автоматической сварки с применением соответствующих режимов сварки и сварочных материалов.

Для лабораторных исследований была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка (рис.1), базой для которой послужил универсально-заточной станок мод. ЗА04Д, 1. Обдирочный круг 2 устанавливался на шпиндэле станка. Заготовка 3 прижималась к кругу посредством балансира, установленного на кривошипнс-шатунном механизме 7, который закреплялся на столе 4 станка. Рычаг балансира 5 прижимал заготовку к кругу с постоянной силой за счет действия груза б. Круг закрь-вался съемным защитным кожухом 8. Продукты резания собирались в бункере 9.

Для оденки теплонапряженности процесса обдирки сварных швов был разработан программно-измерительный комплекс (рис. 2). В нем в сквозное отверстие, просверленное в середине обрабатываемой загс-товки, закладывалась хромель-копелевая термопара (диам.0,4 мм) на расстоянии (Ц, максимально близком (и во всех случаях одинаковом) к зоне шлифования. Сигнал с термопары 2 передавался через одноканаль-ный измеритель-регулятор ТРМ1А-Щ2-ТП-И 1 и частотно-амплитудный преобразователь сигналов 5 на ЭВМ 6, где он обрабатывался по специально разработанной