CC BY
121
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 621.91.01.002.45
ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ ИЗНОСА НА ТОЧНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
© 2011 Е.Ю. Исмайлова, Ф.И. Демин Самарский государственный аэрокосмический университет, г. Самара Поступила в редакцию 10.11.2011
Процессам трения всегда сопутствуют процессы трибологического изнашивания, поэтому задача управления процессами трения и использование законов трения и изнашивания актуальна на всех этапах жизненного цикла изделий: в процессе проектирования (конструирования), изготовления и эксплуатации.
Качество машины достигается в результате конструктивно-технологических разработок машины и технологического процесса ее изготовления. Увеличение долговечности и надежности при эксплуатации изделий машиностроения связано с повышением требований к точности изготовления деталей и сборки узлов. Точность машины характеризуется величиной отклонений относительного движения (кинематический вид связи) и положения исполнительных поверхностей машины и ее механизмов (размерный вид связи) от требуемых ее служебным назначением. При решении проблемы точности в машиностроении технолог должен обеспечить требуемую точность размеров, формы и взаимного расположения поверхностей, а так же качество поверхностей деталей, входящих в изделие; исследовать фактический ход технологического процесса; проанализировать причины возникновения погрешностей обработки и сборки.
В выполнении любого технологического процесса участвует большое количество независимых или слабо зависимых факторов, в результате действия которых происходит рассеяние значений параметров точности в партии изготовленных деталей. Из теории вероятности известно, что при совокупном действии многих факторов с величинами одного порядка, являющихся случайными, рассеяние следует закону нормального распределения, который выражается формулой 1
(1)
и графически характеризуется кривой Гаусса (см. рис.1).
В заводской практике наблюдаются случаи, когда из общей массы действующих факторов выделяются один или несколько, влияние которых доминирует над совокупным действием остальных. В процессе обработки партии заготовок на настроенных станках таким доминирующим фактором является износ элементов технологической системы «станок - приспособление - инструмент - заготовка».
ИМ/ У а 8 .
1 / ( 0 ' \ 1 У
За =68
ИР
Рис. 1. Кривая нормального распределения случайных погрешностей, где о - среднее квадратическое отклонение, характеризует ширину диапазона значений «х»;юх - поле рассеяния случайной величины.
Погрешности изготовления и сборки станков и крепежных приспособлений ограничиваются нормативными документами и определяют их точность в ненагруженном состоянии. Погрешности геометрической точности станков и приспособлений полностью или частично переносятся на обрабатываемую заготовку. Величина этих систематических погрешностей поддается предварительному анализу и учету. Износ станков и износ элементов крепежных приспособлений обусловливает увеличение систематических погрешностей при обработке заготовок. К примеру, за год эксплуатации токарных станков при двухсменной работе в условиях серийного производства износ передней от рабочего грани направляющей в среднем составил: при чистовой обработке стальных и чугунных заготовок 0,04 - 0,05мм, при обдирке 0.1 - 0,12 [2].
Износ рабочих поверхностей станков и приспособлений происходит неравномерно, что приводит к изменению их начальной геометрической точности и, следовательно, к возникновению дополнительных погрешностей обрабатываемых заготовок. Так, участок наибольшего износа направляющих по длине у обследованных станков оказался на расстоянии 400 мм от торца шпинделя [2].
Появление постоянно действующего фактора приводит к смещению поля рассеяния в направлении действия фактора на величину вызываемой им погрешности (см. рис.2).
1062
Механика и машиностроение
Рис. 2. Смещение поля рассеяния случайной величины «х» в пределах поля допуска «Т» в результате действия систематической погрешности «а».
Наличие постоянной систематической погрешности не влияет на форму кривых распределения, однако, ее появление вызывает смещение максимума в направлении оси абсцисс по отношению к первоначальной настройке.
Так как износ элементов оборудования происходит в течение длительного времени, то действие систематической погрешности, вызванной этим износом, будет проявляться для всего количества деталей, изготовленных на данном оборудовании, за достаточно протяженный отрезок времени, например, за год. Таким образом, за время изготовления одной партии заготовок на настроенном станке износ рабочих элементов оборудования будет незначительным, а износ, имеющийся у станка и приспособления к моменту начала обработки партии заготовок, можно учесть при наладке станка на обработку.
На характер распределения погрешностей в пределах обработки партии заготовок существенное влияние оказывает износ режущего инструмента. Режущий инструмент в процессе резания формирует новую поверхность с образованием стружки, воздействуя на обрабатываемый материал. При этом сам режущий инструмент подвергается воздействию со стороны обрабатываемого материала, работает в условиях действия больших давлений на поверхностях контакта, высоких температур, а так же в условиях трения поверхностей инструмента и заготовки. Такие условия работы вызывают интенсивный износ поверхностей режущих инструментов, в тысячи раз превосходящий интенсивность изнашивания трущихся поверхностей деталей машин. Например, экспериментально установлено, что износ шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания до предельно допустимой величины происходит после пути трения 106-109 метров, а износ режущих инструментов до установленной нормативной величины износа наблюдается после пути трения 103-104 метров [3]. Путь трения при резании определяется по формуле:
Lрез=V•T, (2)
где V - скорость резания, м/мин; T - стойкость инструмента, мин.
Так, при скорости резания 100 м/мин и стойкости инструмента 60 мин путь, пройденный режущим
инструментом до величины допустимого износа, составит
Lрез=100•60=6•103 (м)
Рабочие поверхности режущего инструмента изнашиваются как от механического воздействия, так и в результате молекулярно-термических процессов, происходящих в зоне резания. Механизм износа инструментов при резании металлов включает в себя абразивный, адгезионнный и диффузионный износ. Удельное влияние каждого из них зависит от условий обработки, а так же от свойств обрабатываемого материала и материала режущей части инструмента.
В соответствии с общими закономерностями износа при трении скольжения, в начальный период работы инструмента, который называют периодом начального износа (участок I на рис.3), износ наиболее интенсивен.
Рис.3. График зависимости износа инструмента U от пути резания L.
В период начального износа происходит приработка режущего лезвия, сопровождающаяся выкрашиванием отдельных неровностей и заглаживанием следов заточки режущих граней. В этот период шероховатость обрабатываемой поверхности обычно уменьшается. Второй период износа (участок II на рис.3) характеризуется нормальным износом инструмента, прямо пропорциональным пути резания. Третий период износа (участок III на рис.3) соответствует наиболее интенсивному катастрофическому износу, который сопровождается недопустимым при нормальной эксплуатации значительным выкрашиванием и поломками инструмента.
На практике лезвийный инструмент изнашивается одновременно по задней и передней поверхностям, что выражается в уменьшении режущего лезвия инструмента, и, следовательно, приводит к увеличению расстояния между образующей режущей кромкой инструмента и обрабатываемой поверхностью. Таким образом, первоначальная настройка на выдерживаемый размер изменится, потребуется восстановление настройки: перезатачивание и замена инструмента, подналадка оборудования.
Износ режущего инструмента оказывает влияние на точность механической обработки как систематическая закономерно изменяющаяся погрешность, распределенная по закону равной вероятности, вы-
1063
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
раженному формулой (3) и кривой распределения, представленной на рис.4:
(3)
, где а0:
< а < ач
__________________________ а
аа ai
Рис.4. Графическое представление равновероятного распределения погрешностей.
Более четко выявить влияние систематической закономерно изменяющейся погрешности на общую погрешность обработки позволяет метод точечных диаграмм.
Если по оси абсцисс отложить порядковые номера деталей в последовательности их изготовления, а по оси ординат величину выбранного параметра точности, например, действительного размера соответствующего номера детали, то можно получить и проанализировать практическую кривую рассеяния размеров партии обработанных заготовок при совокупном действии систематических постоянных, систематических закономерно изменяющихся и случайных погрешностей (см. рис.5). Теоретический закон распределения композиции законов равной вероятности и закона нормального распределения выражается формулой:
fix) = —= е (4)
tTVi?T
На рис.5 видно, что действие систематической погрешности, связанной с износом режущего инструмента, увеличивает поле рассеяния действительных размеров обработанных заготовок. Чтобы обеспечить требуемую точность механической обработки, поле рассеяния композиции равновероятного и нормального законов распределения не должно выходить за пределы поля допуска на выдерживаемый параметр, т.е.
rak < T (5)
При изготовлении ответственных деталей, например, валов, дисков и лопаток газотурбинных двигателей, требуется обеспечить геометрические параметры с точностью 6-го и 5-го квалитетов. Поле допуска при этом, в частности, на параметры замковой части лопаток, ограничивается величинами от 0,3 до 0, 005 мм. Для такого узкого интервала допуска влияние процессов трения, вызывающих износ инструмента, становится особенно значимым.
Рис. 5. Точечная диаграмма, показывающая: а) поле рассеяния размеровпартии деталей при действии систематической закономерно изменяющейся погрешности; б)-поле рассеяния при совокупном действии случайных погрешностей и систематической закономерно изменяющейся погрешности, где гаа - поле рассеяния размеров партии деталей в результате действия систематической закономерно изменяющейся погрешности;гах - поле рассеяния в результате действия многих случайных погрешно-стей;гак - поле рассеяния композиции равновероятного и нормального законов распределения.
Окончательной обработкой для точных поверхностей во многих случаях является шлифование -обработка абразивными инструментами, которые состоят из зерен абразивного материала, скрепленных между собой связкой. Каждое единичное абразивное зерно представляет собой режущее лезвие со случайными геометрическими параметрами, которые зависят от формы и размеров зерна, а так же от положения его в абразивном инструменте. В процессе снятия стружки зерна круга изнашиваются, их режущие грани затупляются, и сила резания возрастает. Как только сила резания, действующая на зерно, превысит силу связки, зерно вырывается с поверхности круга, обнажая новые острые зерна. Свойство абразивного инструмента восстанавливать свою режущую способность называется самозатачиванием. Сильно затупившееся зерно перестает резать и с большой силой трется об обрабатываемую поверхность, вызывая прижоги и трещины. Такое состояние шлифовального круга называют засаливанием. Выкрашивание абразивных зерен, затупление и засаливание рабочей поверхности круга приводят к искажению его первоначальных геометрических параметров, к снижению режущей способности, к ухудшению шероховатости шлифуемой поверхности и уменьшению точности обработки. Для восстановления геометрии, режущих свойств и микропрофиля рабочей поверхности абразивный инструмент подвергается правке.
Если шлифование выполняется на станке, настроенном на автоматическое получение размера, то необходимы механизмы автоматической компенсации изнашивания шлифовального круга. Каждая периодически выполняемая поднастройка оборудования внесет свою систематически действующую погрешность, что приведет к изменению величины поля рассеяния и изменению положения поля рассеяния относительно границ поля допуска (см. рис.6).
1064
Механика и машиностроение
Рис. 6. Точечная диаграмма, показывающая смещение поля рассеяния в ходе технологического процесса с рядом поднастроек технологической системы, где юа - поле рассеяния размеров партии деталей в результате действия систематической закономерно изменяющейся погрешности;юх - поле рассеяния в результате действия многих случайных погрешно-стей;юк - поле рассеяния композиции равновероятного и нормального законов распределения;
Тн - поле допуска на параметр Н;п1 и n2 - номера деталей,перед обработкой которых выполнена поднастройка технологической системы.
Таким образом, исследование процессов обработки с помощью точечных диаграмм и кривых распределения позволяет оценить влияние на точность обработки систематической закономерно изменяющейся погрешности, вызванной процессами трения в зоне контакта режущего инструмента и заготовки, которые приводят к интенсивному износу режущих поверхностей инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Б.С. Балакшин. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение. 1966
2. http://texinfo.inf.ua/razdeli/texn_obr/texnoobr_teor_1 .ht ml
3. Подгорков В.В. Износ режущих инструментов. htpp://www.info.instrument.ru
INFLUENCE OF THE PROCESSES OF WEAR ON ACCURACY OF MACHINING OF DETAILS
© 2011 Ismaylova E.YU., Dyomin F.I.
Samara State Aerospace University named after academician S.P.Korolyov, Samara.
1065
