Технологическая оснастка для определения контактных сближений поверхностей взаимодействующих деталей

_Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2_

УДК 621.753.4

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНТАКТНЫХ СБЛИЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ

О.С. Кашмин, А.С. Ямников, А.А. Хачатурян

Дано описание специальной оснастки для измерения контактных сближений поверхностей взаимодействующих деталей при ударной нагрузке, создаваемой натяжением пружин кулачком, установленным на оправке в шпинделе фрезерного станка и имитирующим ударное воздействие деталей в машине.

Ключевые слова: контакт, поверхность, ударная нагрузка.

Машины при эксплуатации подвергаются различным видам силовых нагрузок, как статических, так и динамических. Статические нагрузки подробно изучены и описаны в классических теориях упругости и пластичности [1-3]. Однако в некоторых машинах (перфораторы, отбойные молотки) превалирующими являются динамические (ударные) нагрузки. [4-7]. На кафедре технологи машиностроения ТулГУ продолжительное время ведутся исследования размерной стабильности деталей автоматического оружия при ударных нагрузках [8-15]. Особое внимание уделялось решению размерных цепей с нормированным контактом спрягаемых поверхностей [16-18].

Остаточные деформации вносят изменение в точность сборочного соединения, и поэтому производится их отделение от упругих в общей величине измеренной деформации. Помимо общей величины измеренной остаточной деформации, отнесенной к двум контактирующим деталям, необходимо знать ее величину, приходящуюся на одну деталь.

С этой целью методикой проведения эксперимента предусмотрено проведение опытов отдельными сериями. Начальные серии опытов предусматривают предварительную осадку деталей таким образом, чтобы были практически исключены пластические деформации. В последующих сериях опытов во взаимодействие приводятся следующие пары контактирующих деталей:

- пары, прошедшие объемную осадку в предварительной серии опытов, но имеющие специально сформированный поверхностный рельеф на одной или обеих деталях;

- пары, в которых одна из деталей имеет полную предварительную осадку, а вторая не имеет; пары деталей, не прошедшие осадки.

Для исследования размерной стабильности деталей автоматического оружия при ударных нагрузках нами были проведены эксперименты [16-18] с помощью специальной технологической оснастки. Использова-

лись образцы из материалов, наиболее часто употребляемых в производстве стрелкового оружия: стали следующих марок 30ХН2 МФА, 30ХРА, 35ХГСА, 50РА с твердостью после термообработки 36 ... 53 ЫЯС.

Поверхность контактирующих площадок образцов подвергалась механической обработке способами, предлагаемыми в качестве финишных операций, вместо ручной пригонки. Установка, воспроизводящая ударный характер нагружения, монтировалась и закреплялась на столе горизонтально-фрезерного станка (рис. 1) [10].

12 3^56 7 8

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

На ней был смоделирован процесс нагружения образцов, изготовляемых из широко применяемых при производстве стрелкового и автоматического оружия сталей. Установка воспроизводила ударный характер на-гружения. На плите 1 неподвижно установлен упор 2, к которому при помощи винтов крепится плоский образец 3. Цилиндрический образец 4, имеющий с одной стороны выступающую площадку, а с другой - центровое отверстие, находится в корпусе 5. На цилиндрической поверхности образца имеется шпоночный паз. В этот паз входит конец установочного

245

винта, ввинченного в корпус 5 и предохраняющего образец от проворота. Удар создается парой пружин 8, установленных на цилиндрических направляющих 9.

По этим же направляющим перемещается серьга 7 с закрепленным в ней бойком 10. Боек 10, в свою очередь, контактирует с ударником 11, находящемся в отдельном корпусе 6. В торце ударника установлен шарик 12, который, устанавливаясь в центровом отверстии образца 4, обеспечивает центральное направление удара. Сжатие пружин осуществляется перемещением серьги 7 кулачком, закрепленным в установленной в шпинделе станка оправке. Изменение степени сжатия пружин, а следовательно, и силы удара производится путем перемещения стола станка в вертикальном направлении. Со шпинделем станка связан счетчик числа оборотов или числа циклов нагружения.

Измерение контактной деформации производилось до эксперимента и после на вертикальном микроскопе относительным способом. Образец закреплялся в призме струбциной. Сначала измерялась высота точки 10 (рис. 2), а затем девяти точек исследуемой поверхности.

" I I I -ст . III

1 1 \/ 1

1

Рис. 2. Схема относительного измерения контактных деформаций

246

При такой схеме измерения исключалась погрешность установки в призме и не учитывались деформации образца после нагружения. Если обозначить высоту точек профиля площадки (исследуемой поверхности) до эксперимента hin, а после нагружения образца hjn, то разность hin - hjn = a - есть величина деформации [10].

Кроме относительного измерения величины деформации осуществлялось непосредственное измерение величины сближения. Для этого в образце 1, выполненном в виде плиты, имеется отверстие, в которое вворачивался и фиксировался с помощью контргайки 3 опорный элемент 2 (рис. 3).

На конце опорного элемента имелось гнездо для установки плиты 5 измерителя 6. Измерителем был индикатор часового типа с ценой деления 1 мкм или индукционный датчик ИД8-3, подключенный к цифровому микрометру.

Рис. 3. Схема непосредственного измерения контактных

деформаций

Измеритель 6 устанавливался и закреплялся во втулке 7, запрессованной в плите 5. Шток 4 устанавливался в отверстии опорного элемента непосредственно в момент измерения. Такой принцип применялся в работе [3] для измерения сближения двух поверхностей при статическом нагру-жении. Он исключает ошибки измерения деформаций, возникающих в других стыках. Погрешность такого вида измерения была в пределах 1,5 - 5 мкм; в основном это погрешность установки и самого измерителя.

Так же как и при относительном измерении величины контактной деформации, шток 5 контактировал с точкой 10 цилиндрического образца. На этой установке были проведены эксперименты, описанные в работах [10, 11].

Для проведения эксперимента нами были отобраны следующие факторы: Яа - шероховатость поверхности; ЫЯС - твердость; а° - угол раскрытия стыка. В качестве выходного фактора выбрана величина сближе-

о

ния У. Зависимость У=/(Яа, НЯС, а) аппроксимировали полиномом второй степени. Эксперимент проводили по программе центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка.

Было сделано предположение, что зависимость величины сближения У от исследуемых факторов можно представить уравнением регрессии степенного вида:

У = СЯаЬНЯСэу аф.

Уравнение (1) после логарифмирования примет вид

1п У = 1п С + р 1п Яа + у 1п НЯСэ + ф 1п а.

Результат эксперимента выражен полиномом вида и = Ьо + ¿1^1 + ¿2 Х2 + ь3 Х3 + ¿12 хх +

2 2 2

+ ¿13Х1Х3 + ¿23Х2Х3 + ¿11Х1 + ¿22Х2 + Ь33Х3 .

В уравнении (3) и = 1п У ; а Х1, Х2, Х3 - кодированные значения факторов Яа, НЯС, а°. Справедливость зависимости (1) устанавливалась проверкой адекватности линейной части полинома (3).

Для стали 30ХРА уровни варьирования факторов:

Х1 = (Яа -1,6)/1; Х2 = (НЯСэ - 42,5)/5,5; Х3 =(а° - 0,13)/0,09. Экспериментальная модель получена в виде и = 10,889 + 2,8333х1 - 2,6667Х2 + 5,2778х3 + 0,3333х1х3 + 0,94444х3 . Для стали 35ХГСА уровни варьирования факторов

х1 = (Яа -1,6)/1; х2 = (НЯСэ - 43)/5; х3 = (а° - 0,13)/0,09. Экспериментальная модель получена в виде

и = 10,778 + 3х1 + 2,0556х2 + 5,5х3 + 0,25х1 х2 +

+ 0,33333х1х3 + 0,25х2 х3 + 0,94444х3. Для стали 50РА уровни варьирования факторов

х1 = (Яа - 2,8)/2,2; х2 = (НЯСэ - 44,5)/4,5; х3 = (а° - 0,085)/0,055. Экспериментальная модель получена в виде и = 10,926 + 3,4444х1 - 3,5556Х2 + 3,8889Х3 - 0,33333Х1Х2 +

+ 0,58333х1х3 -1,9167х2х3 - 0,77778х? + 0,55556х2 - 0,77778х3. Для стали 30ХН2МФА уровни варьирования факторов

х1 = (Яа - 2,8)/2,2 ; х2 = (НЯСэ - 43)/4; х3 = (а° - 0,085)/0,055. Экспериментальная модель получена в виде

и = 11 + 4х1 - 2,7222Х2 + 2,72222Х3 - 0,66667Х1Х2 +

+ 0,58333х1х3 - 0,75х2х3 - 1,4444х^. Вывод. Описанная оснастка позволила получить полиномиальные зависимости сближения от технологических факторов и качества поверхности, что является важным для разработки технологического процесса

сборки, назначения норм геометрической точности деталей, выбора параметров установок, проектирования комплекса технологической и метрологической оснастки.

Список литературы

1. Берестнев Б.И. Пластичность и прочность твердых тел при высоких давлениях / Б.И. Берестнев, Е.Д. Мартынов, К.П. Родионов [и др.]. М.: Наука, 1970. 162 с.

2. Дрозд М.С., Маталин М. М., Сидякин Ю. И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М.: Машиностроение, 1986. 220 с.

3. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 227 с.

4. Орленко Л.П. Поведение металлов при интенсивных динамических нагрузках. М.: Машиностроение, 1964. 168 с.

5. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. Киев: Наук. думка, 1976. 416 с.

6. Рахматуллин Х.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках. М.: Физматгиз, 1961. 400 с.

7. Инженерные методы исследования ударных процессов / Г.С. Ба-туев, Ю.В. Голубков, А.К. Ефремов, А.А. Федосов. М.: Машиностроение, 1977. 240 с.

8. Размерный анализ изделий с учетом контактной податливости сопрягаемых деталей / И.А. Коганов, Н.Н. Шемарин, А.П. Никифоров [и др.]. Тула: Изд-во ТПИ, 1986. 27 с.

9. Технология машиностроения. Специальная часть: учебник / М.Н. Бобков, Г.В. Гусев, А.Ю. Илюхин [и др.]; под ред. А.А. Маликова и А.С. Ямникова - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 388 с.

10. Эмпирические зависимости величины сближения контактирующих деталей при импульсной нагрузке / В.М. Грязев, А.С. Ямников, О. А. Ямникова, О.С. Кашмин.// Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015. № 3. С. 42 - 48.

11. Кашмин О.С., Ямников А.С., Пушканов М.А. Определение сближения контактирующих деталей при импульсном нагружении // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 222 - 229.

12. Грязев В.М., Ямников А.С. Сравнительные характеристики поверхностной жесткости деталей автоматических машин: справочник // Инженерный журнал с приложением. 2013. № 8 (197). С. 7 - 13.

13. Терехин Н.А., Ямников А.С., Грязев В.М. Сравнительные характеристики поверхностной жесткости деталей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 2. С. 168 -174.

14. Терехин Н.А., Ямников А.С., Ямникова О.А. Взаимное влияние погрешностей формы и расположения сопрягаемых поверхностей на относительную площадь пятна контакта // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. №10 (171). С. 40 - 43.

15. Маликов А.А., Мигай А.Ю., Ямников А.С. Технология сборки машин: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 133 с.

16. Васильев А.С., Грязев В.М., Ямников А.С. Функционально связанные сборочные размерные цепи, обеспечивающие нормированный контакт поверхностей // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2012. № 5 (142). С. 36 - 40.

17. Ямников А.С., Маликов А.А., Грязев В.М. Специфика решения размерных цепей с нормированным пятном контакта поверхностей // Материалы 4-й МНТК «Наукоемкие технологии в машиностроении и двига-телестроении». 3-5 сентября: в 2 ч. Рыбинск: РГАТУ. 2012.. Ч.1. С. 194 -199.

18. Грязев В.М., Ямников А.С. Решение размерных цепей с точностью, нормированной по пятну контакта поверхностей // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2013. № 8. С. 22 - 26.

Кашмин Олег Степанович, канд. техн. наук, доц., kashminoleq@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., yamnikovas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хачатурян Армен Арутюнович, студент, feniks_ 7lrusa,rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR DETERMINATION OF CONTACT SURFACES

OF SURFACES INTERACTING PARTS

O.S. Kashmin, A.S. Yamnikov А.А. Khachaturyan

Describes a special tool for measuring contact approaches of surfaces of interacting parts under impact load created by the tension of the springs by a cam mounted on a mandrel in the spindle of a milling machine and simulating the impact ofparts in the machine.

Key words: contact, surface, impact load.

Kashmin Oleg Stepanovich, candidate of technical sciences, docent, kashmino-leq@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yamnikov Aleksander Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, yamniko-vas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Khachaturyan Armen Arutyunovich, student, feniks_ 7lrus@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University