Содержание к диссертации
Введение
1. Методы повышения эксплуатационной точности маложестких деталей . 8
1.1 Анализ влияния технологического процесса и физико-механических свойств материала на стабильность формы маложестких деталей. 8
1.2. Остаточные напряжения в техпроцессе изготовления маложестких деталей. 12
1.3. Технологические процессы и методы управления, применяемые для стабилизации форм и размеров маложестких деталей . 21
Выводы, цели и задачи работы. 28
2. Разработка математической модели технологического процесса термосиловой обработки . 30
2.1. Теоретические предпосылки к расчёту осевых
деформаций и напряжений при термообработке. 30
2.2. Теоретический анализ и математическая модель процесса термосиловой обработки. 41
2.3. Создание динамической модели термосиловой обработки как объекта управления . 4 9
Выводы по главе 2. 62
3. Исследование повышения стабильности геометрических параметров маложестких деталей путем управления технологическим процессом термообработки . 64
3.1. Механическое представление сущности возникновения остаточных напряжений при обработке маложестких валов. 64
3.2 Структурная схема САУ термосиловой обработкой маложестких валов. 71
3.3 Физическая сущность процессов, протекающих при термосиловой обработке маложестких валов . 78
Выводы по главе 3. 101
4. Разработка средств управления для повышения стабильности форм и точности деталей малой жесткости . 102
4.1. Разработка функциональной схемы САУ термосиловой обработки на режимах отпуска. 102
4.2. Установка для ТСО маложестких валов в условиях развития фазовых превращений. 110
4.3 Устройство для термосиловой обработки при закалке маложестких валов . 120
4.4. Устройство для термосиловой обработки, с управлением величиной и скоростью изменения прикладываемой осевой нагрузки. 124
Выводы по главе 4. 130
5. Экспериментальное исследование размерной стабильности и точности деталей малой жесткости с использованием системы автоматического управления . 131
5.1. Технология изготовления длинномерных маложёстких деталей. 131
5.2. Экспериментальные исследования влияния термосиловой обработки при отпуске и закалке на геометрическую точность и стабильность форм длинномерных маложёстких деталей в условиях функционирования автоматической системы управления. 134
5.3. Исследование стабильности формы длинномерных деталей при управляемой вибростабилизирующеи
обработке. 14 6
Выводы по главе 5. 14 8
Выводы по результатам работы. 151
Список используемых источников. 153
- Технологические процессы и методы управления, применяемые для стабилизации форм и размеров маложестких деталей
- Создание динамической модели термосиловой обработки как объекта управления
- Физическая сущность процессов, протекающих при термосиловой обработке маложестких валов
- Устройство для термосиловой обработки при закалке маложестких валов
Введение к работе
Современный уровень развития машиностроения характеризуется постоянным повышением требований к качеству маложестких деталей типа валов, одним из основных показателей которого является отсутствие коробления. В большинстве случаев такие валы работают в условиях действия больших знакопеременных нагрузок и испытывают значительные упругие деформации изгиба и кручения. При больших скоростях вращения и малой жесткости валов даже весьма незначительная величина коробления вызывает появление дисбаланса, вибраций и увеличения динамических нагрузок на опоры, что существенно ускоряет процессы разрушения детали и машины в целом.
Появление коробления обусловлено высокой величиной и неравномерным распределением внутренних напряжений в объеме материала маложесткого вала. На формирование данного поля внутренних напряжений существенное влияние оказывают неравномерные пластические и температурные деформации материала вала при прокатке заготовки, в процессе механической и термической обработки, т.е. в следствии технологической наследственности.
Соответственно разработка и исследование методов снижения и равномерного распределения указанных напряжений, а также автоматического управления данными процессами позволит повысить качество длинномерных маложестких валов.
Технологические процессы и методы управления, применяемые для стабилизации форм и размеров маложестких деталей
Технологический цикл изготовления деталей малой жесткости, как правило, содержит ряд операций: правку, термообработку, чаще многократную, механическую обработку. Каждая из операций вносит свои остаточные напряжения, разные по знаку, направлению и величине, которые вызывают деформации деталей, как на стадии изготовления, так и при их эксплуатации. Распространенными способами снижения остаточных напряжений являются различные виды термической обработки - отпуск, низкотемпературный отжиг и искусственное старение. В последние годы для этой цели стали применять вибрационную обработку. При вибрационном методе снятия напряжений в металл вводится энергия колебаний /46/. Благодаря этому в поликристаллическом материале происходят сдвиги кристаллической решетки, сопровождающиеся перераспределением напряжении. Вибрация должна происходить с резонансной или близкой к ней частотой. Если же частота вибраций превышает частоту собственных колебаний изделия, могут появиться усталостные напряжения.
Вибрационный метод пригоден для снятия остаточных напряжений в заготовках, полученных методами пластической деформации, вызванных механической обработкой - фрезерованием, строганием, шлифованием, протягиванием, сверлением и т.д.
Термообработка назначается для снятия остаточных напряжений, с целью стабилизации внутренних напряжений и размеров деталей, т.е. как искусственное старение. Этот процесс резко снижает уровень остаточных напряжений и дает достаточно высокое качество стабилизации.
Все методы предотвращения коробления и стабилизации размеров, получили название "старение" /37/, так как основной причиной деформации, являются имеющиеся в них остаточные напряжения, а многочисленный опыт доказывал резкое уменьшение их в процессе низкотемпературного отжига, то общепринятым стало мнение, что по величине сохранившихся в детали остаточных напряжений, можно судить о том, будет ли она в дальнейшем коробиться или нет. Однако, рядом исследователей было установлено, что при естественном старении происходит сравнительно небольшое снижение остаточных напряжений, хотя из практики известно, что в процессе эксплуатации такие детали не коробятся. Было высказано предположение, что коробление, происходит главным образом из-за релаксации остаточных напряжений в местах их концентрации, а не из-за релаксации средних остаточных напряжений 1 рода, которые рассматриваются при оценке напряженного состояния детали, т.е. ни уровень напряжения в изделии, ни степень снижения его не могут характеризовать стабильность размеров обрабатываемых деталей и поэтому эффективность того или иного метода старения рекомендуется оценивать по величине деформации. Все известные методы старения условно можно разделить на 3 группы, в зависимости от степени изменения остаточных напряжений: I - напряжения мало изменяются; II заметно уменьшаются; III - резко уменьшаются.
К I группе относится естественное старение, вибростарение, тепловая обработка при Т = 200 - 300С. Ко II группе относится метод статического нагружения, метод термоударов. К III группе относится отжиг при температуре 500-600 С .
Прежде чем выбрать тот или иной метод, необходимо четко понимать, какие требования предъявляются к детали.
Величина имеющихся в заготовках остаточных напряжении не определяет однозначно возможность их коробления /46/. Так, например, при наличии интенсивного упрочнения стабилизация размеров заготовок наступает при сравнительно небольшом снижении в них общего уровня остаточных напряжений (до 10%) . Наоборот, при интенсивном разупрочнении (низкотемпературный отжиг при температуре 500-600С), коробление прекращается только после значительного снижения остаточных напряжений (до 50-60%).
Чтобы устранить пластическую деформацию, необходимо либо повысить сопротивление металла пластическому деформированию, т.е. его релаксационную стойкость, либо уменьшить действующие напряжения. Упрочненная пластическим деформированием сталь гораздо лучше противостоит возникновению новой пластической деформации.
В последнее время получают развитие методы старения, повышающие релаксационную стойкость материала, с небольшим снижением уровня остаточных напряжений. К ним относятся статическое и динамическое нагружение, старение тепловыми ударами, вибрационное старение, обработка ультразвуком. Однако, ни одним из данных методов невозможно добиться равномерного распределения остаточных напряжений без управления ходом данных процессов.
Проведенный анализ работ по повышению точности обработки маложестких деталей и автоматическому управлению параметрами, влияющими на точность обработки, показывает, что используемые в них модели технологической системы недостаточно полно отражают поведение нежесткой заготовки при термообработке. Как правило, в моделях не учитывается распределенность параметров длинномерных маложестких деталей без применения систем автоматического управления параметрами, которые определяются заготовкой.
Целесообразно создание более совершенной модели объекта управления - маложесткой детали в процессе термообработки, и на этой основе провидение исследований, разработок и реализаций систем автоматического управления параметрами термообработки.
Построение традиционного технологического процесса термической обработки требует применение нескольких промежуточных отпусков, что не обеспечивает высокой производительности и может привести к увеличению стоимости обработки.
Наиболее перспективным является направление с применением систем автоматического управления параметрами термообработки /26, 29, 31, 32, 40-42, 44, 45/.
Создание динамической модели термосиловой обработки как объекта управления
Ранее изложение велось применительно к механическим свойствам металлов при температуре t= 20С, однако влияние температуры па механические свойства имеет весьма важное практическое значение. Подобно механическим процессам, следует различать температурные эффекты по степени их воздействия: нагрев печи можно отнести к макро эффектам, а температурные изменения при повторных нагрузках к микро эффектам. Ввиду того, что модуль упругости отражает изменение межатомных сил сцепления с изменением межатомных расстояний, следует, что модули упругости должны быть связаны с параметрами решётки.
Уровень температуры существенно влияет на сопротивление пластической деформации (рис. 2.2), как видно из рисунка сопротивление начальным пластическим деформациям {предел текучести) существенно зависит от температуры. Следует заметить, что существует принципиальное различие между металлами с решётками ОЦК и ГЦК при изменении температуры /61,64/. Необходимо, иметь ввиду, что при деформировании металла при разных температурах следует учитывать влияние двух факторов; влияние температуры на направление течения при данной структуре деформированного металла, и влияние различий в структуре (например, различной плотности дислокаций) , возникающих при разных температурах, для материалов с данной степенью деформации.
Влияние температуры на кривую деформационного упрочнения в металле с Г.Ц.К. решёткой (сталь 12Х18Н10Т) связано с тем, что металл в деформированном состоянии, имеет различную структуру, возникающую при разных температурах, и не обнаружено очень большого изменения напряжения, происходящие при изменении температуры, оказывают на пластичность и вязкость часто сильное влияние. При понижении температуры большой частью сильнее падает пластичность, а не вязкость.
Влияние температуры на упругие характеристики Е, G заключается в том, что изменение температуры (особенно повышение ее) нередко вызывает наложение на чисто механические факторы физико-химических процессов, как происходящих внутри самого металла, так и обусловленных взаимодействием металла с окружающей его средой.
Где т напряжение; а - коэффициент линейного расширения; Т - температура. Следует отметить, что на упругие характеристики Е и G существенное влияние оказывает скорость деформации. Деформирование с высокой скоростью вызывает резкое упрочнение, и как следствие величины Е и G также увеличиваются. При этом, данные величины будут изменяться, в зависимости от скорости изменения осевой нагрузки: Е = Ы (2-15 Где К - коэффициент упрочнения; и0 - скорость деформирования мм/мин. Скорость деформирования по своей сути есть абсолютная величина деформации в единицу времени и0= —. Скорость изменения осевой нагрузки является функцией скорости деформации, поэтому, используя закон Таким образом, влияние температуры и скорости деформации на модуль упругости носит прямо противоположный характер, увеличение температуры вызывает его снижение, а увеличение скорости деформации повышение. Тогда изменение величины модуля упругости от действия данных факторов запишется следующим образом: Е = ДЕ = Е,-ЕГ. (2.17) Термосиловая обработка, как основная операция технологического процесса, предназначенная для, выравнивания и минимизации остаточных напряжений по длине заготовки7 включает в себя одновременно ДВА процесса, пластического деформирования и температурного воздействия на металл. Если, функциональную зависимость напряжение -упругопластическая деформация (рис.2.2), аппроксимировать двумя или несколькими линейными зависимостями, а это определяется величиной пластической деформации, то целесообразно, для рассмотрения модели процесса нагрева и охлаждения при ТСО обратиться к теории термоупругости и термопластичности. Рассмотрим случай, когда температурное поле предполагается известным и независимым от напряженного состояния, а само тело упругое изотропное. При одноосном нагружении, что соответствует ТСО, закон Гука при тепловых расширениях имеет вид: 2 Е здесь тепловое расширение складывается с удлинением, обусловленным напряжением. Это же уравнение, выраженное относительно напряжения имеет вид: crl=a-EQ + Eer, сг=0 (2.19) Используя принцип сложения действия сил, можно определить температурные смещения и напряжения при нулевых внешних силах, а затем сложить найденные величин со смещениями и напряжениями от действия заданных нагрузок. Температурные напряжения равны нулю, если температура постоянна или является линейной функцией координат (данное замечание будет использоваться при разработке алгоритма управления при ТСО). Сложность математического описания термосиловой обработки, как объекта управления, состоит в том, что исходное распределение температуры, остаточных напряжений пластических деформаций и скорости их протекания в объеме заготовки неизвестно или нет измерительных средств, позволяющих контролировать текущее распределение этих параметров. В ходе термосиловых нагружений измеряется температура среды печи и величины упруго-пластических деформаций.
Физическая сущность процессов, протекающих при термосиловой обработке маложестких валов
Целесообразно остановиться на технологических проблемах, связанных с управлением ТСО (отпуск, нормализация и т.д.) с учетом прочностных характеристик и физмехсвоиств обрабатываемого материала. Известные работы в области управления уровнем остаточных напряжений /46,51,66/ решают задачу расчёта, на основе априорной информации о времени охлаждения изделия на последней стадии его проката, с целью выравнивания температур по к сечению изделия и минимизации таким образом уровня остаточных напряжении. Задача управления в этом случае сводится к созданию совместных пластических деформаций.
В первой главе подробно разбирались причины коробления маложестких деталей, здесь только заметим, что потеря геометрической точности изделия напрямую связана с возникновением остаточных напряжении первого рода, последние возникают из-за неравномерности пластических деформации металла, неоднородности температурного поля профиля заготовки в процессе охлаждения, разновременности протекания процесса структурных превращений. Для минимизации уровня остаточных напряжений необходимо устранить, свести к нулю выше перечисленные причины возникновения остаточных напряжений, для этого необходимо управлять текущими параметрами процесса ТСО. Трудность в выборе управляемых параметров состоит в том, что нет однозначных зависимостей между текущими и конечными параметрами в процессе ТСО. За основные (доминирующие), параметры управления были приняты - температура и # продольная деформация.
Процесс термосиловой обработки необходимо разбить на три этапа - нагрузки, выстоя и разгрузки. Каждый из этапов требует своего технологического приема, в зависимости от прочностных характеристик металла. Так, существует стандартная технология таких операции как отпуск и т.д., температурный режим таких операции известен, но как правило этот режим назначается из задач металловедения, а не технологии обработки маложестких деталей, связанных с її короблением. Снижение уровня остаточных напряжений, как правило, приводит к короблению деталей в процессе отпуска или отжига, а дальнейшее исправление криволинейности вводит свои неоднородные остаточные напряжения и т.д.
Целью данной ТСО является минимизация и стабилизация остаточных напряжений в продольном и поперечном направлениях длинномерной детали. Для достижения данной цели необходимо решить один из главных вопросов, при какой температуре проводить термосиловую обработку. На рис.3.4. приведены зависимости предела текучести от температуры для различных конструкционных сталей, построенных по данным таблиц механических свойств, при повышенных температурах. Для конструкционных сталей характерно наличие участков со слабой зависимостью предела текучести от температуры, причем такие участки лежат в интервале (0,15+0,25) Тпл или проходит через него, а некоторые стали (40Х), имеют участки повышенного значения предела текучести при нагреве. Для изделии из таких сталей требуется особо тщательно выбирать ту величину пластической деформации, на которую скачкообразно и локально деформируются микрообъемы металла при выходе за предел упругости, т.е. критическая деформация для различных материалов разная, но не превышает 4%. При переходе за предел текучести одновременного охвата пластической деформацией всего объема металла не происходит, это происходит до тех пор, пока все микрообъемы металла не окажутся охваченными пластической деформацией критической величины. Только после этого возможна одновременная деформация всего объема материала. Данная величина зависит от размера зерна, термической обработки, скорости деформирования и т.д.
Необходим критерий характеризующий среднюю
Неравномерность ПЛаСТИЧеСКИХ Деформаций Кср = Єліах/Єміп.
Значение Кср близкое к единице, свидетельствует об однородности пластических деформации материала по всей длине заготовки. На рис.3.4 представлены значение коэффициента Кср от средней остаточной деформации образца для стали І2ХІ8НІ0Т при Т=320С, причем значение Кср, с увеличением средней деформации постепенно уменьшается.
При є =1% наблюдается значительный разброс данных и большое значение коэффициента Кср (1/5 до 2) при температурных режимах ТСО. Как показал эксперимент (см. главу 5) разброс значений данного критерия локальности подчиняется закону нормального распределения. Используя постулаты теории вероятности, можно оценивать вероятную величину коробления в зависимости от значения критерия локальности. Величина дисперсии будет характеризовать точность процесса. Влияние различных параметров ТСО на коробление маложестких валов можно оценивать по влиянию данных параметров на величину дисперсии. Например, повышение скорости деформации вызывает уменьшение величины дисперсии, а следовательно, повышается точность ТСО, снижается коробление маложестких валов.
Устройство для термосиловой обработки при закалке маложестких валов
Принцип работы установки поясняется чертежом рис 4.4, где изображено устройство для термосиловой обработки и рис 4.5.
Устройство для термосиловой обработки содержит стапель 1 в виде двух труб, разъемную шайбу 2 и разъемную втулку 3, установленные на наружнеи поверхности заготовки-вала, опорную втулку 4, установленную на наружнеи поверхности разъемной втулки 3, шайбу - сферу 5, сопряженную с шайбой 6 с отверстием в центре, переходящим во внутренюю сферическую поверхность, две клиновые шайбы 7 и 8, установленные между шайбой - сферой 6 и торцем опорной втулки 4.
Устройство для термосиловой обработки работает следующим образом. При нагревании конструкции до температуры закалки (согласно ТП операции закалки), появляется осевое усилие, вызванное, разницей коэффициентов линейного расширения труб стапеля 1 и заготовки, которое через замкнутую силовую цепь -стапель 1, крышка б, шайба - сфера 5, клиновые шайбы 7 и 8, опорная втулка 4 и разъемная втулка 3, с одной стороны и стапель 1, разъемная шайба 2 с другой стороны сообщается заготовке.
Необходимое значение осевого растягивающего усилия устанавливается, путем создания при сборке конструкции зазора определенной величины в месте соединения опорной шайбы 4 и клиновой шайбы 7. Методика определения величины зазора является чисто инженерной задачей и в данной работе не приводится.
При остывании конструкции - разгрузке, устройство для ТСО вместе с заготовкой вынимают из печи и охлаждают. Осевое усилие сохраняется за счет того, что заготовка остывает значительно быстрее (в 5 раз) стапеля 1, имеющего по сравнению с заготовкой гораздо большее сечение и массу, а также внутреннюю замкнутую полость, заполненную песком, который через описанную выше силовую цепь, сообщает осевое усилие заготовке до полного остывания всей конструкции.
Так как, при сборке конструкции во внутренние полости труб засыпают песок, за счет чего трубы охлаждаются значительно медленнее вала, а следовательно, сообщают валу осевое растягивающее усилие до полного остывания, то в материале вала при этом возникают значительные по величине сжимающие напряжения, которые стремятся изогнуть трубы, удерживающие вал в натянутом состоянии. Поэтому перед проведением ТСО необходимо провести проверочный расчет труб на устойчивость по критическому значению сжимающего усилия. Наибольшим значение сжимающего усилия будет в момент полного остывания вала (20С) , в этот момент сжимающие напряжения в материале вала достигнут своего пика, в то время как трубы еще не до конца остыли (около 4 50С) . Проверка труб на устойчивость является чисто инженерной задачей, поэтому методика проверки труб на устойчивость в данной работе не приводится.
Задача, на решение которой направленна разработка данного устройства, заключается в повышении надежности и эффективности ТСО, с достижением следующих технических результатов: упрощение конструкции устройства лля ТСО путем использования его внутренних ресурсов; повышение стабильности структуры материала и остаточных напряжений по длине детали, за счет управления величиной и скоростью изменения осевого усилия, прикладываемого при ТСО.
Эта задача решается тем, что в устройстве для ТСО осесимметричных нежестких валов содержащем стапель с подвижным и неподвижным захватами, печь, силовой узел, последний выполнен в виде вертикально размещенных телескопически соединенных между собой труб, полости которых заполнены рабочей средой, а донные части которых выполнены с отверстиями, при этом внутренние трубы выполнены подвижными и снабжены обратными клапанами для открывания отверстий при выдвижении труб вверх, внешние трубы выполнены неподвижными и снабжены выпускными клапанами для открывания отверстий при обратном движении внутренних труб вниз, а в качестве рабочей среды используется сыпучий материал; выпускные клапаны могут быть выполнены с возможностью регулирования усилия их поджатия к отверстиям в донной части труб.
Выполнение силового узла в виде телескопически соединенных между собой труб позволяет регулировать длину рабочей зоны устройства, что позволяет обрабатывать детали различной длины, а также адаптироваться к температурным деформациям детали в процессе ТСО, снижает энергоемкость процесса ТСО из-за того, что нагревается только заготовка, а не весь стапель для осуществления ТСО,
Расположение труб вертикально позволяет использовать гравитационные силы для регулирования их вылета путем пересыпания рабочей среды.
Выполнение труб с внутренними полостями позволяет сделать устройство для ТСО более компактным из-за использования их как направляющих для подвижного захвата, а также для размещения нагружающего механизма.
Заполнение внутренних полостей труб рабочей смесью повышает надежность работы устройства за счет большей устойчивости при действии сжимающих усилий при ТСО, при этом не нужна сложная управляющая аппаратура, упрощаются условия эксплуатации за счет того, что скорость истечения сыпучего материала зависит не от давления, а от величины выходного отверстия.
