Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и постановка задач исследования .
1.1.Технологические трудности обеспечения точности маложёстких деталей и методы её достижения 7
1.2. Оценка влияния проводимых технологических операций на остаточные деформации маложёстких деталей 16
1.3.Влияние методов правки на технологические остаточные деформации маложёстких деталей 25
1.4.Влияние технологической наследственности на технологические остаточные деформации 29
Выводы. Цель и задачи исследования 34
2. Расчётное прогнозирование технологических остаточных деформаций маложёстких валов .
2.1. Расчёт технологических остаточных деформаций от нарушения исходного напряженного состояния вала процессом резания 37
2.1.1 .Постановка задачи и общие положения 37
2.1.2.Расчёт технологических остаточных деформаций вала при токарной обработке 40
2.1.3.Оценка влияния процесса резания на технологические остаточные деформации 48
2.1.4.Оценка влияния технологических остаточных напряжений
заготовки вала на формирование остаточных деформаций 58
2.2. Расчёт технологических остаточных деформаций вала от напряжений, созданных силовым замыканием в центрах токарного станка 64
2.3. Расчёт технологических остаточных д е формаций маложёсткого вала при фрезеровании пазов и лысок 71
2.4. Расчёт максимально допустимых исходных деформаций заготовок, подвергаемых правке растяжением 77
2.5. Расчётное определение параметров правки в стапеле 83
Выводы 89
3.Методика экспериментальных исследований.
3.1.Устройства для обработки заготовок маложёстких валов и
исследования технологических остаточных деформаций с течением времени 91
3.2. Оценка прямолинейности оси образцов маложёстких валов 98
3.3.Определение осевых начальных и остаточных напряжений в образцах 101
3.4.Установка для травления цилиндрических образцов и измерения деформаций 106
3.5.Определение интегральной характеристики начальных напряжений по деформациям образца 110
3.6. Методика экспериментального исследования влияния режимов операций на технологические остаточные и начальные напряжения 112
3.6.1. Методика определения зависимости технологических остаточных напряжений в заготовке вала от параметров операций 113
3.6.2. Методика определения зависимости интегральной характеристики начальных напряжений от режимов механической обработки... 118
3.7. Устройства для точения образцов маложёстких валов 1 1 9
Выводы 128
4. Исследование влияния технологических операций на остаточные напряжения и деформации маложёстких валов .
4.1 .Материалы, применяемые в качестве объекта исследования 129
4.2. Влияние механической обработки на остаточные деформации маложёсткого вала и их характер 131
4.3. Деформации и остаточные напряжения при правке термическим растяжением 137
4.4. Деформации и остаточные напряжения при вибрационной обработке маложёстких валов 149
4.5. Развитие технологических остаточных деформаций стечением времени 157
4.6.3ависимость технологических остаточных напряжений в заготовках валов от параметров операций 162
4.7.Исследование начальных напряжений при токарной обработке... 170
4.7.1 .Влияние геометрии инструмента 172
4.7.2.Влияние режимов резания 177
4.7.3 .Влияние чистового точения 181
4.8.Зависимость интегральной характеристики начальных напряжений от параметров резания 185
Выводы 194
5. Практическая реализация результатов исследований.
5.1. Методика проектирования технологического процесса изготовления деталей типа маложёстких валов с заданной
прямолинейностью оси 196
5.2.Оборудование и устройства для изготовления маложёстких валов 198
5 3 .Результаты производственной реализации 203
Выводы 209
Основные выводы 210
Литература 214
Приложения
- Оценка влияния проводимых технологических операций на остаточные деформации маложёстких деталей
- Расчёт технологических остаточных деформаций вала от напряжений, созданных силовым замыканием в центрах токарного станка
- Оценка прямолинейности оси образцов маложёстких валов
- Влияние механической обработки на остаточные деформации маложёсткого вала и их характер
Введение к работе
Современные тенденции повышения требований к качеству продукции машиностроения при одновременном снижении её металлоёмкости влекут всё большее использование деталей малой жёсткости и, в частности, деталей типа валов (штоки, оси, ходовые винты, борштанги и др.). Получение последних сопряжено с большими технологическими трудностями из-за необходимости борьбы с упругими и остаточными деформациями в процессе изготовления.
Упругие деформации связаны со снижением жёсткости технологической системы и проявляются непосредственно во время обработки. Последнее обусловило их широкое изучение и разработку всесторонних и эффективных методов борьбы с ними.
Технологические остаточные деформации деталей малой жёсткости связаны с нарушением уравновешенного напряжённого состояния заготовки, происходящего в процессе её обработки, и проявляются после завершения очередной технологической операции. При снижении жёсткости деталей доля технологических остаточных деформаций в суммарной погрешности возрастает и занимает доминирующее положение. Возникает необходимость прибегать к операциям правки и термической стабилизации, которые гарантированно не устраняют технологические остаточные деформации и увеличивают трудозатраты.
Закономерности образования технологических остаточных деформаций при изготовлении деталей типа маложёстких валов недостаточно изучены в виду отсутствия комплексных исследований, устанавливающих связь технологических параметров всей совокупности проводимых операций с формируемыми величинами последних, что, соответственно, ограничивает возможности выявления наиболее оптимальных путей и рациональных методов получения качественных деталей. В результате создался значительный разрыв между требованиями к качеству и технологиями изготовления деталей типа маложёстких валов. Причина такого положения кроется в методах разработки технологий, основанных на традиционных подходах, недостаточно учитывающих специфику подобных изделий.
В этой связи актуальным являются исследования в этой области и разработка новых подходов к технологическим процессам изготовления деталей типа маложёстких валов.
Настоящая работа ~ посвящена решению подобных проблем и осуществлялась в несколько этапов, включающих в себя исследования литературных источников, разработку и анализ теоретических моделей формирования технологических остаточных деформаций, методическую проработку запланированных экспериментов, их осуществление и выявление степени соответствия принятых моделей, разработку методики проектирования технологических процессов и устройств для их осуществления, а также непосредственное изготовление валов малой жёсткости в условиях производства.
Исследования выполнялись на базе экпериментально-конструкторско-технологического отдела ОАО «Азотреммаш» г. Тольятти по плану развития новой техники предприятия. Результаты проведенных исследований позволили освоить на предприятии разработчике и ОАО «Тольяттиазот» г.Тольятти изготовление маложёстких валов из коррозионно-стойких и конструкционных сталей для насосно-компрессорного оборудования химических агрегатов с отношением длины к диаметру до 85, допуском на прямолинейность до 10 мкм на 1 погонный метр длины вала и тем самым отказаться от закупки подобных дорогостоящих изделий по импорту.
Оценка влияния проводимых технологических операций на остаточные деформации маложёстких деталей
Исходя из вышеперечисленных методов борьбы с остаточными деформациями, все технологические операции предложенные исследователями к применению при проектировании технологических процессов изготовления маложёстких деталей можно условно разделить на следующие группы: 1. Операции, связанные с формированием заданной формы исходной заготовки. 2. Операции, связанные со снижением уровня остаточных напряжений и их стабилизацией. 3. Операции, связанные с образованием начальных напряжений в поверхностном слое. 4. Операции, проводимые на предварительно упругодеформированной заготовке и осуществляемые с целью нейтрализации воздействия начальных напряжений, возникающих в результате их проведения. Условность деления операций не отрицает совмещение нескольких из них в одну или разделение на отдельные переходы. К наиболее прогрессивным технологическим операциям первой группы следует отнести методы их проведения исходящие из одновременного решения двуединой задачи: получение исходной заготовки с равномерными минимальными припусками и минимальными остаточными деформациями при одновременном формировании заданных механических и коррозионных свойств её материала.
Для решения данной задачи наиболее перспективна термическая обработка заготовок в фиксированном состоянии их формы [117,120,124].
К недостаткам подобных методов следует отнести увеличение финансовых затрат, связанное с необходимостью использования металлоёмкого оборудования, конструктивная жёсткость которого обеспечивает их осуществление.
Снижение металлоёмкости возможно при использовании явления сверхпластичности металлов, которое всесторонне исследовано и предложено в том числе для этих целей авторами [20,35,67,139]. Последнее заключается в резком падении предела текучести материала и увеличении его пластичности в определенном интервале температур и скоростей нагрева или охлаждения.
Многими исследователями [3,49,59,117] установлено и подтверждено, что минимальный уровень технологических остаточных напряжений после операций термической обработки может быть получен при наименее термонасыщенных видах данных операций, а также их режимах. Поэтому получение заданной точности маложёстких деталей неразрывно связано с правильным выбором материала.
Наиболее распространенным методом осуществления операций второй группы является снижение остаточных напряжений термической обработкой. Многие исследователи [16,25,86,98,134,141] выявили общие недостатки, обнаруживающие себя при её применении для маложестких деталей, которые состоят в следующем: возможность получения дополнительных остаточных деформаций из-за протекания релаксационных процессов в макрообъемах заготовки; возможность деформирования маложёстких деталей при межоперационной транспортировки до термопечей и обратно; опасность возникновения термопластических деформаций для маложёстких деталей типа валов из-за неравномерной скорости прогрева шахтной термопечи по вертикальным зонам особенно в фазе нагрева.
Кроме того, данный метод является энергоемким, длительным и требуюпдим дорогостоящего оборудования. По мнению исследователей [100,141] термический способ снижения остаточных напряжений необходимо избегать, если он не предусматривает одновременную ликвидацию метастабильных структур материала или одновременно не совмещен с операциями формирования требуемой формы заготовки. Исследования [16,19,25,38,82,86,98,134,141] показывают, что более прогрессивным способом снижения и стабилизации остаточных напряжений является вибрационная обработка, заключающаяся в нагружении обрабатываемой заготовки переменными нагрузками такой величины, которая в сумме с существующими остаточными напряжениями несколько превышает предел упругости материала заготовки при циклической нагрузке. Снижение остаточных напряжений при виброобработке происходит вследствие создания напряжений, при которых в некоторый период нагружения развивается локальная пластическая деформация металла за счёт сдвиговых, диффузионных и периферийных процессов. Наиболее рациональна виброобработка на собственных резонансных частотах системы «заготовка - вибратор», т.к. последнее соответствует эффективной передаче механической энергии вибратора в обрабатываемый материал заготовки. Как отмечают исследователи [16,25,86,98], преимуществами применения вибрационных методов являются: - минимальная вероятность образования технологических остаточных деформаций ввиду протекания пластических деформаций в микрообъемах; - оказание одновременно стабилизирующего воздействия на остаточные напряжения заготовки, заключающегося в повышении их устойчивости с течением времени; - сокращение длительности процесса, снижение энергоемкости, малые капитальные затраты и исключение межоперационных транспортировок. Недостатком существующих способов виброобработки применительно к маложестким валам, является проработка только продольного сечения последних, совпадающего с плоскостью действия изгибной возмущающей силы, кроме того с увеличением расстояния от точки её приложения падает величина напряжений, создаваемых в поперечных сечениях данной силой (в пределах до нуля на концах вала). В итоге происходит неравномерная силовая проработка по длине вала.
Расчёт технологических остаточных деформаций вала от напряжений, созданных силовым замыканием в центрах токарного станка
Базирование вала в центрах токарного станка приводит к возникновению в теле последнего реактивных напряжений, создаваемых усилием замыкания (рис.2.12). При последующем неравномерном удалении припуска происходит изменение их эпюры и образование остаточных деформаций после размыкания центров. При оценке данного явления расчётным методом принимается следующее. 1. Фактор рассматривается изолированно, т.е. условно считается, что в заготовке вала отсутствуют технологические остаточные напряжения и удаление припуска процессом резания не сопровождается внесением в поверхностный слой начальных напряжений. 2. Центры токарного станка принимаются абсолютно жёсткими. 3. Ось заготовки вала имеет начальную кривизну и его исходная остаточная деформация описывается известными функциями (2.1). 4. Считается известной сила Ро замыкания вала в центрах. При приложении силы Ро (рис.2.13а) ось вала получит дополнительный изгиб, соответственно функции проекции оси вала, зажатого в центрах, на плоскости ZOX и ZOY имеют вид Последние находятся из (2.1) по известным зависимостям [115], как упругие перемещения балки, испытывающей нагрузку Ро.
В поперечном сечении «2» вала (рис.2.13в) образуются напряжения После первого прохода в сечении «2» соблюдается условие равновесия, заключающееся в том, что сумма внутренних сил равна внешним, а также их изгибающий момент равен внешнему, т.е. Используя граничные условия е xl(0)= е xir = е yl(0)= еyl(l)= О, из (2.31), определяются функции схдг) и вуДг) проекции изогнутой оси заготовки вала в центрах станка после первого прохода. Соответственно, после размыкания центров станка и съёма нафузки Р], используя известные зависимости [115] для перемещений бруса, определяются функции Сх! (т) и Су! (z) проекции искривленной оси вала после первого прохода, как разность между величинами деформаций вала Сх!Л (г) и Су!л (г) и упругими деформациями, которые обусловлены силой Рь После п-го прохода радиус кривизны вала в сечении «2 » и сила в центрах равны Расчётная оценка влияния силы замыкания в центрах на остаточные деформации вала проводится для случая, когда заготовка последнего имеет исходную деформацию изгиба в одной плоскости, описываемую уравнением параболы типа (2.22), но с началом координат у левого конца заготовки вала 1 У где 5о - максимальная исходная деформация заготовки вала.
После базирования заготовки вала в центрах и дополнительной упругой деформации последней за счёт силы Ро замыкания центров, имеем Решая (2.36) относительно pi двойным интегрированием, используя граничные условия (равенства нулю деформаций на концах вала), а также вычитая упругие деформации, имеющие место от силы Р] после первого прохода, находим 6l - максимальную величину остаточной деформации вала, после освобождения его из центров 1) остаточная деформация вала приблизительно пропорциональна квадрату отношения длины к диаметру, поэтому явно проявляется только у маложестких валов; 2) с уменьшением величины остаточной деформации 8п_1 на предыдущем проходе, увеличением величины удаляемого припуска на данном п-ом проходе, остаточные деформации бп уменьшаются; 3) остаточная деформация заготовки вала от прохода к проходу снижается, причём после п-го прохода направлена в сторону, противоположную деформации предыдущего (п-1)-го прохода, что следует из характера «перерезания» эпюры напряжений, образованных силовым замыканием центров (рис.2.12). Расчёт остаточных деформаций после первого прохода по (2.37) показывает, что они малы по сравнению с величинами деформаций вала, обусловленных начальными напряжениями процесса резания, а также нарушением уравновешенного состояния технологических остаточных напряжений в результате удаления припуска. Кроме того, от прохода к проходу они резко снижаются, меняя знак. При рассмотрении действия силового замыкания в центрах на остаточные деформации вала совместно с формированием остаточных деформаций, обусловленных процессом удаления припуска при резании, следует учитывать деформацию заготовки вала вдоль оси по зависимости (2.96). Удлинение вала произойдёт в случае наличия положительных остаточных напряжений в периферийных слоях заготовки вала (отрицательные при этом в её сердцевине) и наоборот. В то же время удлинение вала произойдёт при внесении в поверхностный слой процессом резания начальных напряжений, имеющих отрицательный знак интегральной характеристики и наоборот. В результате в процессе токарной обработки может наблюдаться следующее.
Оценка прямолинейности оси образцов маложёстких валов
Для оценки прямолинейности оси цилиндрических образцов после различных технологических операций разработано устройство (рис.3.4), которое состоит из основания 1, вертикальной стойки 2, держателя 3, узла верхнего центра 4, установленного с возможностью вертикальной переустановки от 200 до 1900 мм, прижимной пружины 5, неподвижных индикаторных стоек 6, закреплённых на стойке 2, индикаторов 7 часового типа с ценой деления 0,01 мм, хомута 8 со стрелкой 9 закрепляемого в нижней части замеряемого образца вала 10, шкалы 11 регистрации угла поворота вала, нижнего центра 12.
Замеряемый образец 10 предварительно зацентровывался, затем вместе с закреплённым хомутом 8 и стрелкой 9 устанавливался вертикально в центрах 4 и 12 устройства. Стрелка 9 вращением образца 10 устанавливалась по шкале 11 на 0, что соответствует началу замера координат поверхности вала в плоскости 0 -180. Индикаторы 7 выставлялись на значение «О». Затем стрелка 9 поворотом вала 10 устанавливалась на отметку 180 и снимался отсчёт. Аналогичная операция проводилась в перпендикулярной плоскости.
Расчёт координат оси образца производился следующим образом. 1. Рассчитывались Хп , Уп координаты оси в плоскостях 0-180 и 90-270 на уровнях каждого п-го индикатора соответственно усилителей 12, соединённых с датчиками 7 согласующим кабелем 13, блока питания 14, сумматора сигнала 15. Каждый датчик выдавал сигнал изменения зазора, который через усилители поступал в сумматор, а с выхода последнего фиксировался самописцем 16 и цифровым вольтметром 17.
В качестве системы датчик-кабель-усилитель применялся датчик фирмы «BENTLY NEVADA» и усилитель «PROXIMETR» с согласующим кабелем. Измерительная система имела данные, приведённые в п.3.1. Датчик 7 предварительно тарировался согласно методики [24] по марке стали образца, а затем по показаниям вольтметра 17 и самописца 16 в процессе травления проводилось определение деформаций. Самописец в основном использовался для наглядного определения момента прекращения деформаций.
Из [100] известно, что скорость травления при межэлектродном зазоре более 0,8 мм постоянна, поэтому величины стравливаемого слоя определялись пропорционально времени травления. Для этого проводилось пробное травление образцов и составлялись тарировочные графики (рис.3.9).
Большая ёмкость бака (180л) и скорость прокачки (22 л/мин), малая плотность тока (60 а/дм ) и большой межэлектродный зазор (25 мм), позволили свести к минимуму нагрев электролита (не более 25 30) и, соответственно, к минимальным температурным деформациям. Разработанная установка позволяла определить осевые остаточные напряжения в образцах диаметром от 15 до 60 мм и длиной до 400 мм. Для определения остаточных напряжений, сформированных в поверхностном слое процессом резания, использовались образцы диаметром 30мм из сталей 12Х18Н10Т, 30X13 и ст. 40 (рис.3.10), предварительно прошедшие полный отжиг на снятие технологических остаточных напряжений.
При определении технологических остаточных напряжений по всей глубине использовались образцы диаметром 15,30,45,60мм (рис.3.10), а также приведенная выше методика, но, с целью ускорения процесса, удаление очередного слоя (кроме образцов диаметром 15мм) проводилось в два этапа: обтачивание на токарном станке образца с предварительно установленной в зазор пластиной толщиной, равной размеру прорезавшего щель инструмента (от 0,5 до 0,8 мм), при этом крепление образца осуществлялось в четырёх кулачковом патроне со стороны выхода щели и поджатием заднего центра с резьбового конца; режимы точения: 1=1мм, 8=0,063мм/об, У=35-ь40м/мин резцами ВК8, СОЖ на основе 10% водного раствора эмульсола Э2Б; последующее травление в установке (рис.3,8) на глубину 0,3 0,5 мм с целью удаления напряжённого слоя, образованного процессом резания, измерение расхождения половинок образца с помощью датчиков «BENTLY NEVADA» и последующее повторение цикла для следующего слоя.
Установление зависимости - интегральной характеристики эпюры начальных напряжений поверхностного слоя от величины расхождения щели разрезаемого образца необходимо для ускоренного получения наиболее полной картины влияния режимов обработки непосредственно на деформации.
Авторами работ [7,31,53,73,93] показано, что осевые начальные напряжения от процесса резания действуют в тонком поверхностном слое (толщиной не более 0,Зч-0,5 мм), поэтому изгибающее воздействие от них можно заменить силой Р„, приложенной не в центре тяжести эпюры, а вдоль образующей цилиндрического образца. Такая замена приведёт к погрешности изгибающего момента от их воздействия в радиальной плоскости. Очевидно, что она не может быть больше величины изменённого плеча сил, которое увеличится на величину расстояния от края образца до центра тяжести эпюры и равную примерно не более половины глубины «а» проникновения начальных напряжений
Влияние механической обработки на остаточные деформации маложёсткого вала и их характер
Целью исследования явилась оценка влияния на остаточные деформации маложёсткого вала как самого процесса резания из-за образования неравномерных по окружности поперечного сечения вала начальных напряжений, так и нарушения равновесия технологических остаточных напряжений, существующих в заготовке до удаления неравномерного припуска.
Для этого проводился следующий эксперимент: две партии цилиндрических образцов по 12 штук из стали 12Х18Н10Т одной поставки диаметром 30 и длиной 1100 мм обмерялись в устройстве (п.3.1) и находилась геометрия их оси. Затем образцы первой партии (состояние поставки) подвергались точению резцами ВК8 (а = 10; у = 12; ф = 90; ф1 = 15; г =1 мм) на режиме V=24 м/мин, S = 0,1 мм/об, глубиной резания 2 мм с применением СОЖ на основе 10% водной эмульсии эмульсола Э2Б на токарном станке оснащённом люнетами (п.3.6.2). После точения проводилось измерение геометрии оси образца и определялось суммарное влияние на остаточные деформации образца начальных напряжений, внесённых процессом резания, и технологических остаточных напряжений, имевшихся в образцах и оказавшихся неуравновешенными в результате удаления неравномерного припуска.
Вторая партия образцов, с целью снятия технологических остаточных напряжений, подвергалась полному отжигу в вертикально вывешенном положении при 1100С с выдержкой 2,5 часа и остыванием с печью до 60С. Затем проводилось точение на режимах, аналогичных первой партии, с последующим измерением остаточных деформаций.
Оценка результатов проводилась с помощью методики, представленной в п.3.2. Статистическая обработка результатов по известным методикам [131] показала, что распределение максимальных остаточных деформаций образцов из материала в состоянии поставки, отожжённых образцов, а также прошедших точение соответствуют закону эксцентриситета, который описывает распределение существенно положительных величин. Средняя величина остаточных деформаций образцов перед отжигом составляла 1630 мкм, а после -1710 мкм (увеличение на 4,7 % ). Сравнение дисперсии данных величин до и после отжига с помощью F - критерия определило отсутствие значимости в их расхождении, следовательно, отжиг не привёл к существенному изменению остаточных деформаций образцов.
После точения заготовок первой партии среднее значение максимальных остаточных деформаций составило 750 мкм, а второй - 520 мкм. При этом оценка расхождения средних величин с помощью t - критерия показала их значимость. Последнее указывает на то, что нарушение исходного равновесного напряженного состояния заготовки в результате удаления припуска и внесение неравномерных по окружности начальных напряжений в поверхностный слой непосредственно механической обработкой в одинаковой мере влияют на остаточные деформации маложёсткого вала, поэтому должны учитываться при проектировании технологических процессов в равной степени. С целью определения характера остаточных деформаций проводился эксперимент оценочного характера, заключающийся в следующем: предварительно образцы диаметром 40 мм и длиной 1200 мм из стали 12Х18Н10Т в состоянии поставки, изучались на характерную исходную остаточную деформацию. Выявлено, что исходная остаточная деформация образцов по своему виду может быть разбита на три основные группы: в виде «дуги», лежащей практически в одной плоскости; в виде «периода синуса» также лежащего в одной плоскости; в виде «пространственной спирали» с не полным шагом. В партии из 72 образцов первая группа составляла 68%; вторая 2 4 % о и последняя 8% (табл.4.3). проходов на режимах, приведенных выше. После каждого прохода проводился обмер геометрии оси образца.
Для выявления характера деформации оси образца от прохода к проходу определялась величина максимальной остаточной деформации З ах, величина угла фпл между плоскостями, в которых происходила эта деформация на последующем проходе и предыдущем где фп+1 , ф п - значение угла для точки оси образца, имеющей максимальную остаточную деформацию при последующем и предыдущем проходе соответственно.
Оценивался также угол Афтах отклонения расположения точек изогнутой оси от единой плоскости (по 5-ти точкам). Результаты приведены в табл. 4.4 как среднее значение для партии.
Наблюдения показывают, что характер первоначальной формы остаточных деформаций оси образцов не меняется от прохода к проходу, имеет место уменьшение последних по абсолютной величине, перемена знака остаточных деформаций на противоположный после второго прохода и сохранение его после третьего прохода. На последующих проходах знак остаточных деформаций принимает первоначальное значение и не меняет его. Одновременно наблюдается некоторая «закрутка» поперечных сечений относительно друг друга. Наиболее характерная картина остаточных деформаций представлена на рис.4.2. После осуществления всех проходов исходная максимальная остаточная деформация для образцов всех групп уменьшается в 37- 43 раза, угол фпл составляет в случае неизменности знака деформаций от 4 до 12 и в случае его перемены - 184-г192, одновременно с ростом числа проходов увеличивается угол Афтах отклонения расположения точек изогнутой оси от единой плоскости, причём, последнее происходит в виде «закрутки», которая достигает для образцов первых двух групп угол от 3" до 5 и 8 для третьей.