Влияние фактора жесткости технологической системы на точность механической обработки тонкостенного фланца переменного сечения

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

УДК 621.941

А. П. МОРГУНОВ Е. Ю. ЧХЕТИАНИ

Омский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ ФАКТОРА ЖЕСТКОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ТОЧНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННОГО ФЛАНЦА ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Статья посвящена решению проблем, возникающих при механической обработке тонкостенных кольцевых деталей. Рассмотрены факторы, влияющие на точность обработки. Приведен расчет, позволяющий определить зависимость угла деформации и осевого перемещения от сил, действующих на технологическую систему.

Ключевые слова: технологическая система, точность, тонкостенные детали.

Тонкостенные детали широко применяются в машиностроении, в том числе при проектировании и изготовлении авиационных двигателей. Обеспечение заданных эксплуатационных свойств изделия зачастую оказывается невозможным без применения конструкций с тонкостенными элементами, что влечет за собой определенные трудности при изготовлении деталей и сборочных единиц. Ситуация усложняется и тем, что к деталям авиационных двигателей предъявляются повышенные требования по точности обработки и состоянию поверхностей.

Одними из характерных представителей тонкостенных деталей в авиационном моторостроении являются кольцевые детали. Они могут различаться по виду образующей (цилиндрические, конические и др.), по характеру поверхности (оребренные, неоребрен-ные), по жесткости (жесткие, нежесткие), по упрочня-емости (упрочняемые, неупрочняемые). При этом степень воздействия различных элементов технологической системы в процессе технологической подготовки и обработки будет различаться для разных типов деталей. Соответственно, необходимо выбирать и разные методы расчета в каждом конкретном случае.

Объектом исследования в данной статье выбран нежесткий тонкостенный кольцевой фланец большого диаметра переменного сечения. Его конфигурация показана на рис. 1.

Рассматриваемый фланец входит в наружный корпус турбореактивного двухконтурного авиационного двигателя.

Как видно на рисунке, внутренний диаметр кольца имеет угол перегиба, т.е. цилиндрическая образующая сменяется конической. Таким образом, данная деталь позволяет рассмотреть в совокупности воздействие различных факторов технологической системы на точность обработки.

Главной задачей технологической подготовки производства является гарантированное достижение заданных параметров точности при наименьших затратах времени на наладку и обработку, а также прогнозирование и минимизация погрешностей, которые могут возникнуть на разных этапах выполнения технологического процесса.

Суммарная погрешность обработки является результатом воздействия большого количества факторот [1]:

— упругие деформации технологической системы под действием усилий резания;

— установка обрабатываемой заготовки на станке;

— деформация заготовки и других элементов технологической системы под влиянием усилий закрепления;

— размерный износ режущего инструмента;

— погрешности настройки станка;

— геометрические неточности элементов станка и приспособления;

— неточность изготовления инструмента;

— температурные деформации элементов технологической системы;

— действие внутренних напряжений в материале заготовки.

Воздействие большинства перечисленных факторов возрастает при условии недостаточной жесткости технологической системы в целом и отдельных ее звеньев в частности.

Кроме того, составляющие суммарной погрешности обработки можно классифицировать и по стадиям технологического процесса, в течение которых характерно их возникновение. Так, на этапе установки, закрепления нежесткой заготовки на станке и технологической наладки возникают преимущественно деформации общего характера, которые могут охватывать участки, находящиеся непосредственно в зоне обработки. В процессе обработки с деформированных участков при наличии выпуклости будет снят увеличенный припуск, и, как следствие, поверхность детали получит искажение формы (утонение стенки, овальность, недопустимые осевые смещения и т.д.).

В процессе механической обработки нежесткая заготовка испытывает воздействие усилий резания. Под их влиянием могут возникнуть отклонения размеров и формы детали. Кроме того, на данном этапе возникновение погрешностей может быть вызвано неточностями изготовления приспособления, инструмента. Температурные деформации также появляются на стадии механической обработки детали.

3

7ZZZZZZZA

Рис. 3. Расчетная схема с разбиением сечения фланца на элементарные прямоугольные сечения

Наконец, на завершающей стадии технологического процесса, т.е. при откреплении и снятии детали со станка происходит ее упругое восстановление, одновременно происходит и восстановление деформированных элементов станка и приспособления.

Из вышесказанного следует, что погрешности обработки возникают на всех стадиях технологического процесса обработки детали, а их характер и величины зависят от ряда факторов. Сведение воздействия этих факторов к минимуму — основная задача исследований по технологическому обеспечению точности обработки. Достижение поставленной задачи возможно только при соответствующем математическом обосновании и расчете.

Если говорить о деформации от усилий резания, то под действием осевой силы кольцо будет испытывать осесимметричную деформацию, когда сечение кольца поворачивается на некоторый угол. Сделаем допущение, что действующие на обрабатываемую заготовку силы и моменты равномерно распределены, и сечение кольца получит радиальное перемещение и поворот на некоторый угол.

В этом случае общая осевая сила определится как

[2]:

Q = 2m1q1 = 2m2q2

где al, a2

расстояние от оси до линий действия на-

грузок (рис. 2),

qI, q2 — действующие нагрузки.

В рассматриваемом случае qI — сила резания, q2 — сила закрепления.

Определение растягивающей силы N и момента в сечении кольца M известно: n

N = X ai4i cos ai i= 1

M = X (bimi - aiqi sin ai - aieiqi cos ai),

pp

откуда ai = —, a2 =-; N = 0,

2 2

M = -a2 q i + a 2 q 2 = —с, 2p

где с = а2 — а1 — разность радиусов опорных окружностей.

Угол поворота кольца определится как:

22 roM ro(aiq2 - aiqi) roQc

EJx

EJx

2pEJx

где Е — модуль упругости,

Jx — момент инерции сечения в направлении оси х. Осадка кольца вдоль оси действия силы (перемещение точки приложения силы):

8 = jc

ro—с

2xEJx

Напряжения в поперечном сечении кольца: Qc

s = y-----

2pJ x

Учитывая конфигурацию исследуемой детали, расчет представляет собой сложную задачу. Целесообразно разбить сечение кольца на прямоугольные сечения и выполнить расчет для каждого из них. Для прямоугольных сечений расчеты существенно упрощаются. Принимая некоторые допущения, а также считая скругления и углы в сечении реальной детали пренебрежимо малыми, получим четыре прямоугольных сечения (рис. 3).

Для кольца прямоугольного сечения:

j =

б roQc

pEbh

З

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

71

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012

ст = у-

60с пЪк 3

Наибольшие напряжения: <г

30с

тах —

пЪк

При у =0,5к действуют растягивающие напряжения, при у =—0,5к — сжимающие напряжения.

Используя программуМаШСАЭ, получим возможность автоматизированного расчета и вывода графической зависимости угла деформации и осадки (то есть осевого перемещения) детали под действием силы резания и противодействующей ей силы закрепления.

Таким образом, при исследовании получены следующие выводы. На точность механической обработки тонкостенной кольцевой детали влияет множество факторов, которые классифицируются по самым различным признакам, а также имеют разное происхождение и степень влияния на конечный результат обработки. Рассмотрена исследуемая деталь под действием силы резания и сил закрепления, направленных противоположно друг другу. С применением положений теории сопротивления материалов становится возможным расчет общей осевой силы, момента приложенных к заготовке сил, а также вывод зависимости угла поворота сечения кольца и осе-

вого перемещения от действующих сил. Практическое применение полученных результатов позволит компенсировать отрицательное воздействие влияющих на обработку факторов и, следовательно, улучшить качество изготавливаемых деталей.

Библиографический список

1. Ластовский, П. Н. Обеспечение заданных требований точности при автоматизированной токарной обработке тонкостенных деталей летательных аппаратов : дис. ... канд. тех. наук. / П. Н. Ластовский. — Омск, 2009. — 226 с.

2. Биргер, И. А. Расчет на прочность деталей машин : справочник / И. А. Биргер, Б. Ф. Шор, Г. Б. Иоселевич. — М. : Машиностроение, 1993. — 640 с.

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

ЧХЕТИАНИ Екатерина Юлоновна, аспирантка кафедры «Основы теории механики и автоматического управления».

Адрес для переписки: ekaterina-chkhetiani@yandex.ru

Статья поступила в редакцию 21.02.2012 г.

©А. П. Моргунов, Е. Ю. Чхетиани

"ДК 669 046 И. М. КОВЕНСКИЙ

В. Н. КУСКОВ Л. Н. ВЕНЕДИКТОВ И. Л. ВЕНЕДИКТОВЛ Л. Г. ОБУХОВ

Тюменский государственный нефтегазовый университет

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Рассмотрены диффузионные процессы миграции и аннигиляции точечных дефектов, протекающие в гальванических покрытиях в послеэлектролизный период. Установлены зависимости и определены температурно-временные параметры обработки, которые приводят к снижению концентрации вакансий в электроосаж-денных металлах до равновесных значений, обеспечивая стабилизацию свойств покрытий при эксплуатации.

Ключевые слова: гальванические покрытия, отжиг, стабилизация свойств. Работа выполнена при поддержке гранта Тюменской области.

Электролитическое осаждение металлов и сплавов для повышения конструктивной прочности, износо- и коррозионной стойкости узлов и деталей машин применяется достаточно широко. Известно, однако, что физико-механические свойства гальванических покрытий могут изменяться с течением времени эксплуатации, оказывая влияние на надежность и долговечность конструкции в целом. Ранее показано [1], что изменение свойств при старении осадков Сг, Fe,

№, Со и других металлов с относительно высокой температурой плавления обусловлено процессами миграции и аннигиляции вакансий, избыточная концентрация которых фиксируется после электроосаждения. Однако даже длительное старение (3000 часов и более) не приводит к стабилизации свойств и, прежде всего, внутренних напряжений, вредно влияющих на эксплуатационные характеристики покрытий. В практически приемлемое время релаксация напряжений