Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Предмет и задачи исследования, состояние вопроса 6
1.1 Конструкций деталей из разнородных листовых материалов 6
1.2 Анализ технологических процессов обработки отверстий в тонколистовых и слоистых деталях 12
1.3 Цель и постановка задачи исследований 25
Глава 2 Исследование и моделирование технологического процесса механической обработки слоистых деталей 28
2.1 Обоснование технологического процесса 28
2.2 Обрабатываемость резанием тонколистовых материалов 31
2.3 Слоистая деталь как составное тело сложной структуры 39
2.4 Математическая модель технологического процесса 44
Глава 3 Экспериментальные исследования комбинированных методов обработки слоистых деталей 55
3.1 Методика проведения эксперимента 55
3.2 Обработка отверстий в тонколистовых и слоистых деталях 60
3.2.1 Пластичные материалы 60
3.2.2 Хрупкие материалы 67
3.3 Влияние скорости нагружения инструмента на характер технологических процессов 72
Глава 4 Технологическое обеспечение процессов обработки слоистых деталей 78
4.1 Технологическая оснастка 78
4.1.1 Обоснование конструкции адаптивного электромагнитного привода 78
4.1.2 Система управления работой адаптивного электромагнитного привода 83
4.1.3 Выбор основных параметров и расчет электромагнита 87
4.2 Алгоритм расчета технологических параметров процесса обработки слоистых деталей 93
4.3 Технико-экономическое обоснование технологического процесса изготовления слоистых деталей 97
Заключение 103
Библиографический список 105
Приложение 116
- Анализ технологических процессов обработки отверстий в тонколистовых и слоистых деталях
- Обрабатываемость резанием тонколистовых материалов
- Обработка отверстий в тонколистовых и слоистых деталях
- Алгоритм расчета технологических параметров процесса обработки слоистых деталей
Введение к работе
В различных отраслях народного хозяйства применяются слоистые детали, представляющие собой незамкнутые оболочки с плавными пологими или плоскими поверхностями, ограниченными контурами произвольных очертаний и содержащие уложенные в определенной последовательности листовые материалы с различными физико-механическими свойствами. Наибольшее распространение в транспортном машиностроении они получили при создании технологических машин и оборудования. Собранные из разнородных элементов, слоистые детали используются в качестве несущих плоскостей конструкций и могут выполнять роль защиты от воздействия химически агрессивных сред, тепловых, электрических и других воздействий, или сочетать в себе комбинацию этих свойств. Соединение определенным образом подобранных конструкционных материалов позволяет создавать композиты, механические характеристики которых не могут быть получены при использовании однородных материалов.
Изготовление и сборка слоистых деталей предусматривает необходимость выполнения ряда технологических операций, к которым относятся: получение заготовок листовых элементов; образование в них отверстий; монтаж и сборка в пакеты; установка болтовых, заклепочных или других соединений. В мелкосерийном производстве, при модернизации оборудования или при выполнении ремонтных работ единственно приемлемой является технология, предусматривающая вырезку отверстий в предварительно собранном пакете листовых элементов. Однако обработка отверстий сверлением в ряде случаев оказывается невозможной, что обусловлено следующими обстоятельствами:
1. Слоистые детали могут изготавливаться из разнородных материалов, в том числе и неметаллических. Поэтому режимы резания и существующая оснастка, предназначенные для одного из материалов, могут оказаться неприемлемыми для других;
При изготовлении слоистых деталей могут использоваться тонколистовые материалы. Но сверление в них отверстий, особенно большого диаметра, неизбежно приведет к разрывам материала в прилегающей к отверстию зоне, а расположение их в многослойном пакете исключает применение кондукторов;
В массовом или серийном производствах может быть выполнена пробивка отверстий в каждом из отдельно взятых листовых элементов с использованием вырубных штампов, содержащих матрицы и пуансоны. В рассматриваемых производственных условиях выполнение этой операции является неэффективным методом, поскольку в уже собранных защитных корпусах, кожухах и других конструкциях исключается возможность ориентирования матрицы относительно пуансона или установка матрицы вообще невозможна.
В связи с этим возникает необходимость разработки технологического процесса изготовления и сборки слоистых деталей при ремонте или модернизации машин и оборудования.
Работа выполнялась в соответствии с планом фундаментальных исследований ОАО «РЖД» 2005 г. по теме № 77-05 «Разработка системы расширенного использования виброударных машин и технологий для решения технологических задач при ремонте подвижного состава».
Анализ технологических процессов обработки отверстий в тонколистовых и слоистых деталях
Изготовление слоистых деталей предусматривает необходимость выполнения ряда технологических операций, к которым относятся: получение заготовок из листовых элементов; обработка деталей в соответствии с чертежами; образование в них отверстий; укладка в пакеты; установка болтовых, заклепочных или других соединений.
Но с точки зрения возможности реализации в мелкосерийном производстве, при модернизации оборудования или при ремонтных работах, последовательность выполнения этих операций будет уже несколько иной.
При сборке слоистых деталей или при закреплении их на защищаемых поверхностях, отверстия необходимо обрабатывать после укладки листовых материалов в пакеты. Однако в этом случае возникает сложная техническая задача, связанная с необходимостью обработки материалов, обладающих различными физико-механическими свойствами, с минимальной переналадкой оснастки или вообще без переналадки.
При разработке технологического процесса обработки деталей из слоистых материалов следует учесть, что чередование разнородных материалов может носить произвольный характер. Кроме того, толщина слоистых деталей различного назначения может изменяться на порядок. Например, минимальная толщина стальной детали, состоящей из одного слоя, составляет 0,35-10-3 м, а толщина теплоизоляционной панели, второй слой которой изготовлен из пенополистирол а, может достигать 50-10-3 ми больше.
Рассмотрим возможность применения существующих способов обработки отверстий в деталях, состоящих из разнородных слоистых материалов с произвольным количеством слоев и их чередованием.
В деталях машин могут выполняться цилиндрические или фасонные отверстия, открытые с одной или двух сторон. Обрабатываются отверстия снятием и без снятия стружки, причем снимать стружку можно лезвийным и_ абразивным инструментом или абразивным порошком.
Лезвийным инструментом можно вести сверление, зенкерование, развертывание, растачивание, протягивание. Абразивным инструментом осуществляется шлифование, хонингование, суперфиниширование, а абразивным порошком - притирка (доводка). Обработка отверстий без снятия стружки производится калиброванием при помощи выглаживающих прошивок и шариков, а также раскатыванием. Эффективным методом изготовления отверстий является пробивание их в штампах.
Одним из наиболее распространенных способов получения глухих и сквозных цилиндрических отверстий в сплошном материале, когда требования точности не выходят за пределы 12 - 13 квалитетов, а шероховатость может быть ограничена величиной Rz = 40 80, является сверление [74].
Но возможность использования сверления для обработки отверстий в тонколистовых и слоистых деталях ограничивается как широким диапазоном изменения физико-механических свойств, так и конструктивными особенностями обрабатываемых материалов и режущего инструмента.
Проведем анализ процесса резания при условии, что толщина детали h на порядок меньше диаметра сверла D.
В целях уменьшения осевой силы и предотвращения значительного увода сверла от намеченного направления, обработка отверстия осуществляется рассверливанием. Минимальный диаметр предварительно просверливаемого отверстия dmin должен быть равным или большим, чем длина кромки А, а его максимальная величина может быть найдена из условия
По мере увеличения диаметра рассверливаемого отверстия, измеряемого по наружной поверхности тонколистовой детали, от d до D ширина срезаемого слоя остается постоянной и равной а затем будет уменьшаться до Ь=0, что соответствует окончанию процесса обработки отверстия.
В качестве примера рассмотрим процесс обработки отверстия диаметром D=10-10 3M в двухслойной детали, наружный (верхний) слой которой выполнен из листовой стали СтЗ, толщиной п=0,6-10"3м, а нижний представляет собой подложку из пенопласта или полистирола высотой Н=50-1(Г3м.
По существу, такую деталь можно представить однослойной, состоящей из тонкой пластины с некоторой жесткостью в направлении подачи сверла Sz, принимаемой за спп, и податливого полубесконечного пространства с жесткостью спр, причем спр « спл. Угол при вершине у сверл из инструментальной стали при обработке конструкционных материалов обычно равен 2ф = 116 — 120 [57, 76]. Тогда ширина срезаемого слоя по (1.2) Ь=1,2-1(Г3м, что на порядок меньше диаметра сверла.
Влияние этого обстоятельства на процесс обработки отверстия можно оценить, рассматривая силы резания при сверлении. На схеме, приведенной на рисунке 1.4 показаны силы, действующие на режущей кромке сверла. На каждую режущую кромку сверла действует равнодействующая сил сопротивления Р, которая может быть разложена по направлениям координатных осей О xyz.
При условии правильной, то есть симметричной заточки главных режущих кромок, равнодействующая сил, действующих по направлению оси х, равна нулю, так как в этом случае Рх, равные по величине и противоположные по направлению уравновешиваются. Пренебрегая силами трения ленточки сверла об обратную поверхность ввиду их малости можно считать, что действующая вдоль оси сверла сила подачи Р0 равна сумме проекций сил, действующих вдоль оси Z, то есть
Крутящий момент сопротивления представляет собой, без учета момента от сил трения, момент пары сия PyJ действующий в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения сверла.
Обрабатываемость резанием тонколистовых материалов
Различные материалы при обработке резанием ведут себя по-разному. Это проявляется в особенностях стружкообразования, тепловыделения и те-плораспределения в зоне резания, в характере и интенсивности износа и разрушения инструмента при обработке данного материала [70]. В силу указанных особенностей одни материалы сравнительно легко поддаются обработке резанием, другие, напротив, с большим трудом. Чтобы оценить способность того или иного материала воспринимать обработку резанием используется термин «обрабатываемость резанием».
Номенклатура современных машиностроительных материалов весьма многочисленна и с каждым годом расширяется. Наряду с такими традиционными материалами, как железоуглеродистые, медные, алюминиевые сплавы она включает разнообразные сплавы на основе никеля, титана, молибдена и других металлов, а также пластмассы и иные неметаллические материалы, что обуславливает важность оценки их обрабатываемости.
Рассматриваемая задача является многокритериальной, так как в ряде случаев приходится при оценке руководствоваться не одним, а двумя или даже несколькими критериями. При этом, однако, следует иметь в виду, что эти критерии могут быть связаны с разными свойствами обрабатываемого материала, неодинаково проявляющими себя при различных видах обработки резанием, а порой и несовместимыми для слоистой детали.
Так, например, с повышением пластичности обрабатываемого материала, шероховатость поверхности, полученной резанием, обычно возрастает [73]. В большинстве случаев при этом растет и сила резания. Интенсивность же изнашивания инструмента, напротив понижается.
Таким образом, обрабатываемость является комплексной, многосторонней характеристикой обрабатываемого материала. Как физическая характеристика она представляет собой функцию физических, механических и других свойств материала. Как технологическая характеристика она зависит от выбранного критерия ее оценки, а, следовательно, от многих технологических факторов, слабо связанных или вовсе не связанных со свойствами материалов детали.
При кажущейся очевидности определения «хорошо обрабатываемый» или, наоборот, «плохо обрабатываемый» материал, обрабатываемость является довольно сложной и вовсе неоднозначной его характеристикой. В самом деле, под хорошей обрабатываемостью можно понимать и низкий уровень сил резания, типичный для данного материала, и его малое изнашивающее воздействие на режущий инструмент, а в некоторых случаях и его способность образовывать хорошо завивающуюся и ломающуюся стружку. Все зависит от того, какая именно из числа названных или иных особенностей обработки является наиболее важной применительно к конкретному технологическому процессу изготовления детали из данного материала. Или, иначе говоря, от того, что в каждом частном случае целесообразно принимать за критерии обрабатываемости [62].
Изучению характеристик обрабатываемости посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов [57, 71, 72]. В общем случае обрабатываемость материалов определяется комплексом физико-механических свойств - твердостью, вязкостью, прочностью и других и конструкцией режущего инструмента, обуславливающих наивысшую производительность и качество обработанной поверхности. Критериями обрабатываемости служат: скорость резания, допускаемая режущим инструментом при определенной его стойкости; усилия, возникающие при резании; мощность, рекомендуемая при резании; температура на лезвии инструмента; качество обработанной поверхности.
Но для исследуемого технологического процесса, отличающегося весьма малой скоростью резания, практически неизменной температурой лезвия и незначительным расходом энергии, эти критерии теряют смысл.
Очевидно, что одной из важнейших характеристик в этом случае могут служить сопротивление срезу а или предел прочности материала при растяжении оЕ.
Рассмотрим диапазоны изменения механических характеристик листовых материалов, из которых в принципе могут изготавливаться слоистые детали. В таблице 2.1 приведены механические свойства некоторых металлических материалов [30, 46, 84, 102].
Как видно из приведенной таблицы, предел прочности металлических материалов может отличаться на порядок. Аналогичный, то есть большой разброс механических свойств наблюдается и у неметаллических материалов. В табл. 2.2 приведены механические характеристики электроизоляционных материалов, широко используемых в энергетике [88].
Сопоставляя пределы прочности при растяжении материалов, приведенные в табл. 2.1 и 2.2, можно видеть, что они отличаются в десятки раз. Кроме того, необходимо отметить, что у некоторых материалов, например у жаропрочных сталей, предел прочности при пластическом деформировании возрастает в 2 раза, предел текучести в 3-4 раза [104].
Другой характеристикой механических свойств материалов является их способность пластически деформироваться, один и тот же материал в зависимости от типа напряженного состояния, скорости нагружения, температуры и других факторов может находиться как в хрупком, так и в пластическом состоянии.
Обработка отверстий в тонколистовых и слоистых деталях
Величина предударной скорости бойка фиксировалась с помощью измерительной системы, блок-схема которой показана на рисунке 3.5. Она состоит из двух точечных источников света ИС, световой поток которых, передаваемый к фотодиодам ФД, последовательно перекрывается падающим бойком. В такой же последовательности на выходе первого и второго каналов измерительной системы, состоящей из двух усилителей У и дифференцирующих звеньев D, появляются импульсы положительной полярности, временной интервал между которыми соответствует времени пролета бойком расстояния 0,1 м. Эти импульсы подаются на вход регистратора Р, в качестве которого используется измеритель временных интервалов частотомер-хронометр Ф5080. Таким образом, используемые системы контроля параметров позволяют измерять абсолютную величину перемещения инструмента с точностью до 0,05-10"3 м, а предударную скорость с точностью до 0,05 м/с. Погрешность измерения силы для диапазона ее изменения от 0 до 1 кН составляет 1,0-1,5%, а энергии единичного цикла нагружения в диапазоне 5-К20 Дж не превышает 4%. Для выбора геометрии торцевой части инструмента испытания проводились на тонколистовой однослойной детали. Наибольшей прочностью при растяжении обладают конструкционные стали. В качестве наиболее применимого для изготовления слоистых деталей материала была выбрана углеродистая сталь обыкновенного качества СтЗ толщиной 0,6-10"3 м, имеющая предел прочности при растяжении aft= 450 МПа. Для обработки технологически необходимого отверстия использовался винтовой ленточный (закрученный) инструмент с толщиной ленты 3 -КГ3, показанный на рисунке 3.6, и модифицированное сверло. Исследовались три типа торцевых режущих кромок, приведенных на рисунке 3.7.
При заостренных кромках, показанных на рис. 3.7, а, происходит отгибание материала в зоне лидирующего отверстия, что в дальнейшем при размерной его обработке приводит к разрыву материала в зоне резания. На рис. 3.8 показана внутренняя сторона детали после обработки лидирующего отверстия заостренными торцевыми кромками. По этим же соображениям можно считать неприемлемым односторонний скос режущей кромки, тем более, что в этом случае наблюдается увод инструмента. Удовлетворительные результаты показали инструменты, выполненные со скосом режущих кромок, показанные на рис. 3.7, б, в. Углы скосов были выбраны из условия постоянства их высоты Ьи, которая для инструмента диаметром D = 18 10-3 м составила h - =6,5-10-3. Уменьшение угла скоса режущих кромок ведет к снижению усилия резания за счет увеличения их высоты, но в дальнейшем это обстоятельство может отрицательно сказаться на конструкции оснастки за счет увеличения длины хода приводного механизма. Наилучшим образом удовлетворяет достижению минимальной силы резания при обработке лидирующего отверстия инструмент с двумя режущими кромками. На рисунке 3.9, а приведена нагрузочная характеристика х = f(F) при обработке стального листа толщиной h = 0,6 10"3 м.
Из приведенной характеристики видно, что усилие резания изменяется аналогично условным напряжениям при испытании на растяжение. На рисунке 3.9, б показана схема резания лидирующего отверстия, на которой можно выделить две зоны. В зоне I происходит резание материала, а в зоне II происходит его разрыв с отгибанием материала внутрь детали. Но это обстоятельство не оказывает влияния на качество выполнения технологической операции, поскольку размерная обработка отверстия осуществляется в области ненарушенной структуры материала. Аналогичный характер имеет и обработка отверстий в слоистых деталях. В качестве примера рассмотрим технологический процесс обработки детали из той же листовой, оцинкованной стали СтЗ толщиной 0,6-10"3 м и пенополистиролатолщиной 20-Ю"3 м, ав=35 МПа. Обработка отверстия выполняется винтовым ленточным инструментом диаметром D = 18-Ю"3 м с высотой подъема боковых кромок L= 96-10"3 м на одном шаге скрутки. На рисунке ЗЛО приведена статическая нагрузочная характеристика х = f(F), на которой показаны четыре интервала нагружения инструмента, соответствующие первому и началу второго переходам. Интервалы перемещения X; обозначены через hki, поскольку Ьк1=хг Здесь же показана аппроксимирующая кусочно-линейная характеристика. На интервале 0 hk] начинается обработка лидирующего отверстия (I зона), сопровождающаяся увеличением силы резания, достигающей своего максимального значения на интервале hkl + ht2. Дальнейшее перемещение инструмента на интервале Ьк2-ь hk3 сопровождается уменьшением силы резания, что происходит при разрушении материала во II зоне (см. рис. 3.9). Начало интервала hk3 hk4 соответствует началу второго перехода -перемещению с одновременным поворотом инструмента в лидирующем отверстии.
Алгоритм расчета технологических параметров процесса обработки слоистых деталей
Для автоматизации проектирования комбинированных технологических процессов [4] разработана блок-схема алгоритма, предусматривающего определение режимов комбинированной обработки и получение на их основании массогабаритных параметров, обмоточных данных электромагнита и технологических режимов. Исходными данными являются физико-механические свойства слоистой детали, задаваемые коэффициентами обрабатываемости слоев, размеры и форма слоистой детали. Выбор количества последовательно соединенных моделей для получения составной нагрузочной характеристики комбинированного технологического процесса определяется ее нелинейностью. Проведенные расчеты показали, что с достаточной для решения практических задач точностью, составная модель может содержать 3-4 простых модели деформируемых твердых тел. Алгоритм включает в себя три блока. На рисунке 4.6 приведены два блока - схема расчета динамических режимов и параметров электромагнитного привода. Расчет динамических режимов выполняется в следующей последовательности. В базу данных 1.БД заносятся значения условных жесткостей си,с,( и сил сухого трения FT], необходимых для моделирования всех технологических переходов. Эти данные находятся экспериментальным или аналитическим путем. Подпрограмма 1.БД выбирает для расчетов формулы, соответствующие конкретным нагрузочным характеристикам F = f (х). Этот выбор осуществляется в автоматическом режиме, т.к. каждой из рассмотренных в разделе 2.4 характеристик соответствует определенный, свойственный только ей набор исходных данных. После формирования составной нагрузочной характеристики для единичного цикла нагружения (к=1) определяется уровень энергии, необходимой для динамического деформирования слоистой детали. При этом состав ная характеристика разбивается на ряд жесткопластических.
Полученная величина энергии Трас,( сравнивается со значениями Т\ , имеющимися в 2.БД и принадлежащими уже созданным ими рассчитанным электромагнитам. начало После этого, на основе теории подобия, рассчитывается электромагнитный привод. К его эксплуатационным параметрам относятся частоты ударов и массогабаритные параметры, определяемые первоначально для коэффициента подобия хода якоря 5С = 1. Полученное при расчете действующее значение тока привода I сравнивается с допустимым для сети Ідол. В случае его превышения, т.е. при 1п I , количество ударов увеличивается на единицу и расчет повторяется. По окончании этого расчета, при выполнении конструкторского этапа, производится корректировка коэффициента 8с до его оптимального значения 8опт, при котором достигается минимальный вес обмоточного провода и активных материалов. ; Полученные данные являются вполне достаточными для подготовки конструкторской документации и расчета параметров привода при оптимальном воздушном зазоре в магнитной системе Йпр = 8опт, Далее, на технологическом этапе проектирования, осуществляется выбор геометрических параметров комбинированного инструмента, исходя из геометрии отверстия и физико-механических свойств обрабатываемой детали, отражаемых комплексным коэффициентом обрабатываемости материалов. При необходимости возможна корректировка конструкции якоря электромагнита и эксплуатационных параметров привода, с учетом надежного закрепления и базирования выбранного формообразующего инструмента. Следующим шагом разработки является проведение экспериментальной проверки назначенных режимов и параметров технологического процесса, а также испытание специализированной оснастки с целью подтверждения адекватности принятых математических и физических моделей. В случае неудовлетворительных результатов лабораторных- или производственных испытаний необходима корректировка факторов принятых моделей. С учетов технологических возможностей спроектированного оборудования разработчиком формируется маршрут комбинированного технологического процесса обработки или сборки изделия их слоистых деталей. На этом же этапе осуществляется нормирование и оценка технико-экономических параметров принятого варианта обработки. В случае положительной оценки специалистами нового комбинированного процесса формируется комплект конструкторско-технологической и нормативной документации, для внедрения на производстве и дальнейшей сертификации спроектированного технологического оборудования. Окончательный процесс формирования общего технологического маршрута обработки включает в себя нормирование и технико-экономическую оценку и завершается комплектованием пакета технологических и нормативных документов. Годовой экономический эффект от применения предложенного технологического процесса и специализированной оснастки определяется с учетом конкретных эксплуатационных условий.
