Механизм образования погрешностей механической обработки поршня и шатуна

МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 62.242; 62.232.1 Санаев Н. К.

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОРШНЯ И ШАТУНА

Sanaev N.K.

THE MECHANISM OF FORMATION OF ERRORS MACHINING OF THE PISTON AND CONNECTING ROD

Приведены исследования, позволяющие раскрыть механизм образования погрешности осевых размеров поршней и шатунов судовых малоразмерных дизелей с целью совершенствования технологии процесса изготовления и стабилизации геометрических параметров.

Ключевые слова: погрешность, чистовая обработка, точность, поршень, базирование, закрепление, податливость, технологическая система.

Researches allowing to expose the mechanism of error formation of the axial piston sizes of ship small-sized diesels rods for the purpose of improvement ofproduction process technology and stabilization of geometrical parameters are given.

Key words: error, finishing, precision, piston, basing, fastening, pliability, technological system.

Поршень судового малоразмерного дизеля (в дальнейшем СМД) работает в чрезвычайно тяжелых условиях, характеризующихся: воздействием высокого давления газов 6,5^ 8,35МПа; контактом с горячим рабочим телом с температурой от 3000 - 22000К; движением с переменной по величине и направлению скоростью.

Как известно, к поршню предъявляют повышенные требования, в том числе к диаметральным размерам тронковой части и отверстий в бобышках под поршневой палец.

Сравнение погрешностей до и после чистовой обработки показало, что отмечается определенная корреляционная связь, вследствие копирования погрешностей (табл. 1).

Таблица 1 - Уравнения корреляционных связей погрешностей формы поршня по ходу технологического процесса_

Исследуемые операции Пояса измерений, рис. 14 Уравнения, мм Коэффициент корреляции

Заготовка(х) Черновое точение (у) А-А y = 0,002+0,497- x 0,15

В-В y = 0,016+0,3057- x 0,30

Д-Д y = 0,037+0,16 x 0,316

Черновое точение(х) Чистовое точение (у) А-А y = 0,009+0,482 x 0,216

В-В y = 0,06+0,47 x 0,47

Д-Д y = 0,011+0,119 x 0,62

Анализ результатов измерений размеров поршней в трех сечения А-А, В-В, Д-Д (см. рисунок 1) СМД, проведенный с помощью единовременных текущих выборок, показал, что на каждой операции наблюдается колебание размеров, как в осевом, так и в радиальном направлениях. Некруглость (эллипсность) юбки поршня неодинакова по

19

высоте поршня, а наибольшая его величина в плоскости А-А. Объясняется это переменной жесткостью поршня по высоте и в поперечных сечениях.

_Д

В I/

уГ р

8 /к л

6 ч4

О

OÍ'J

Рисунок 1 - Схема измерения поршня: а) пояса и направления; б) схема установки

на призму

Отмеченное наследование конструктивной формы оказывает отрицательное влияние на точность изготовления поршня, что обуславливает необходимость принятия конструктивных и технологических мер с учетом масс и моментов инерции как по длине, так и в поперечных сечениях поршня. Так, в работе [1] показано, что: погрешность формы составляет 70% общей погрешности поршня.

Таблица 2 - Процентное соотношение моментов инерции ( Н  м  с2) в различных

сечениях поршней [2]

3

7

5

С

Г

Тип дизеля СЕЧЕНИЕ

А - А В - В Д - Д Г - Г С - С Е - Е

Ч 8,5/11 - 5 28 32 25 22

Ч 9,5/11 - 4,5 30 33 24 21

Достижение перпендикулярности оси поршня от отверстий в бобышках к его образующей, является основной задачей технологического процесса и одним из важных геометрических параметров, влияющих на работу поршня.

Статистический анализ экспериментальных данных по точности указанного параметра для поршней дизелей Ч8,5/11 показал:

- в процессе изготовления поршней происходит последовательное наследование погрешностей от операции к операции;

- формирование погрешности для СМД можно представить в виде следующей зависимости.

Д,. = 0.0152 + 0.073 -Д^Ю"2,мм.

Из выражения (1) следует, что при д.^ = 0, то есть при отсутствии последовательного наследования погрешности, д . = 0,0152 погрешность соответствует допуску на неперпендикулярность оси отверстия в бобышке поршня к образующей юбки на длине радиуса поршня. Погрешность базирования и закрепления можно принять за систематические отклонения, величины которые могут быть сведены к минимальным

значениям путем настройки системы станок - приспособление - деталь. В результате, в ходе исследований была получена следующая формула для определения погрешности А1.

Д= 0 5• С • НВ \Я0,75• " ((0,9 -(°-9 )+Я0,75•Же (0,9 -(°-9 )1°'7

А1 =0, 5 Су НВ [°0 ' 2тах \'тах Птт / + °0 "етах \(2тах 12ттЦ '

Где: Су - коэффициент, характеризующий условия обработки;

НВ - твердость обрабатываемого материала равный для поршней из алюминиевого сплава АК4- 1 ГОСТ 4784 - 65 НВ=100^140единиц.

So - подача инструмента;

W2max и Wвmax- суммарная максимальная податливость детали и борштанги в двух взаимно-перпендикулярных направлениях;

^тах и t2max, tlmin и t2min- максимальные и минимальные значения припуска для отверстий в первой и второй бобышках поршня.

После преобразований получим следующее выражение для расчета погрешности перпендикулярности осей поршня и отверстий под поршневой палец.

Аг- = 0, 5Су • НВ • Я

0,58

• Ж2тах(1тах -^тт^ + Ж"тах(?2тах -{2тт^

0,77

'1тт/ + ""тах \;2тах '2тт/

Расчеты, выполненные по разработанной формуле для СМД показали хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных, что позволяет рекомендовать её для использована в проектных расчетах точности.

На финишных операциях обработки отверстий в головках шатуна растачиваются на алмазно-расточных станках с одного установа одновременно двумя шпинделями. Шатун в приспособлении устанавливается на подпружиненные фиксаторы, которые входят в растачиваемые отверстия головок. Крепление производится по торцу отверстия. Для обеспечения заданного углового положения используют штифты, а в качестве базы технологический прилив верхней головки шатуна, расточка осуществляется консольными борштангами.

На расположение осей отверстий оказывают влияние также возможности станка обеспечить заданную точность, самопроизвольное смещение узлов станка, от температурных деформаций, а также погрешности приспособления, закрепления и базирования.

Таблица 3 - Результаты измерений пересечений осей верхней и нижней головок

шатуна представлены

СМД 1 я' я" Условия появления схем контакта Вероятность появления схем контакта

I II III I II III

48,5/111 0,22^16 ,7 v' 0 < — < 0,22 v У1 = 0,025 рад. 0,22 < — < 14,2 у У2 = 0,001 рад. 14,2 < ^^1 v уз = 0,07 рад. 0 0,85 0,15

|ч 9,5/11 0,23^17 ,9 я' 0 < — < 0,022 я' У2 = 0,027 рад. с' 0,22 < — < 14,2 5' У2 = 0,0001 рад. 14,2 < — уз = 0,07 рад. 0 0,79 0,21

Как показал анализ данных таблицы 3 и статистический анализ точности, наблюдается тесная корреляционная связь между, погрешностями. Для СМД указанную зависимость можно представить в виде: А^ = 0,012 + 0,264АЖ; мм.

Где Д п и Д пк - погрешности пересечения и перекрещивания осей отверстий в головках шатуна.

При Д пк = 0; Д п = 0,012 и Д^ = 0 дж = 0,045.

В ходе выполненного в работе анализа была получена формула (3) для определения суммарной погрешности (Д р ), расположения осей рассматриваемых отверстий шатуна.

Др = 0,5  Су  НВ •  ^01

где: Су - коэффициент, характеризующий условия обработки;

НВ - твердость обрабатываемого материала равный для шатунов из стали 40Х НВ = 165 единиц.

^01 и 802 - подача инструмента при обработке поршневой (81) и кривошипной (82) головок;

'1 и W2 максимальная податливость технологической системы при растачивании верхней ('1) и нижней ('2) головок в горизонтальном или вертикальном направлениях;

1лшах и 12шах, 1лтт и 12тт- максимальные и минимальные значения припуска для отверстий в верхней /1/ и нижней /2/, головках шатуна.

В зависимости от того, в каком направлении в горизонтальном '1г и '2г или в вертикальном '1в и '2в будет рассчитано и представлено в формулу (4) значение получим погрешность Др(г) или Др(в), характеризующее пересечение или перекрещивание осей.

Податливость технологической системы можно принять равной сумме податливости детали (Wg) и податливости борштанги ('б), а угол отклонения суммарного вектора расположения осей от вертикальной оси шатуна, обусловленное различием жесткости последнего в вертикальном и горизонтальном направлениях для СМД равным 27°.

Статическая обработка результатов измерений показала, что среднее арифметическое отклонение пересечения осей составляет Д^д) = 0 0206 мм, а

перекрещивания осей ДР(В) = 0,032 мм, что соответствует углу отклонения суммарного

вектора расположения осей от вертикальной оси шатуна 27 и 31 0 соответственно. Погрешность от упругогоотжатия борштанги (д6) можно рассчитать по предлагаемой формуле:

Д * = рчМ-" Узш,

Где: Рч(Г) - радиальная (тангенциальная) сила резания;

Е и I - модуль упругости и момент инерции борштанги;

I б - длина борштанги.

Из формулы (5) следует, чем больше припуск, следовательно больше радиальная сила резания, и длина борштанги, тем выше погрешность Д*, а увеличение модуля

упругости и момента инерции способствует снижению значения погрешности от упругого отжатия борштанги (табл. 4).

Определенный интерес представляет расчетное определение формы отверстий в верхней и нижней головках при их механической обработке. Для этих целей можно воспользоваться зависимостями, предложенными в работах [3,4,5,].

Таблица 4 - Результаты, экспериментальных измерений погрешности расположения осей верхней и нижней головок 150 шатунов СМД Ч8,5/11 и Ч9,5/11

№п/п Откло нения п/п Отклонен ия п/п №п/ п Отклоне ния, мм. п/п № п/п Отклоне ния, мм. п/п №п /п Отклоне ния, мм. №п /п п Отклоне ния, мм.

1 2 3 4 5 6

1 0,04 26 0,06 51 0,09 76 0,10 101 0,06 126 0,05

2 0,06 27 0,07 52 0,10 77 0,02 102 0,04 127 0,03

3 0,14 28 0,01 53 0,03 78 0,05 103 0,09 128 0,04

4 0,06 29 0,05 54 0,08 79 0,04 104 0,05 129 0,02

5 0,05 30 0,02 55 0,12 80 0,09 105 0,03 130 0,10

6 0,03 31 0,02 56 0,03 81 0,08 106 0,08 131 0,08

7 0,13 32 0,08 57 0,11 82 0,04 107 0,04 132 0,04

8 0,00 33 0,04 58 0,04 83 0,06 108 0,06 133 0,07

9 0,13 34 0,08 59 0,06 84 0,05 109 0,11 134 0,07

10 0,08 35 0,03 60 0,04 85 0,08 110 0,06 135 0,02

11 0,10 36 0,10 61 0,12 86 0,04 111 0,05 136 0,05

12 0,09 37 0,02 62 0,09 87 0,11 112 0,05 137 0,06

13 0,04 38 0,04 63 0,06 88 0,03 113 0,14 138 0,09

14 0,11 39 0,05 64 0,09 89 0,07 114 0,06 139 0,05

15 0,08 40 0,08 65 0,07 90 0,06 115 0,07 140 0,08

16 0,07 14 0,15 66 0,06 91 0,09 116 0,09 141 0,07

17 0,05 42 0,06 67 0,05 92 0,05 117 0,15 142 0,08

18 0,03 43 0,07 68 0,09 93 0,03 118 0,10 143 0,06

19 0,12 44 0,06 69 0,05 94 0,06 119 0,02 144 0,05

20 0,04 45 0,10 70 0,02 95 0,13 120 0,07 145 0,13

21 0,07 46 0,05 71 0,11 96 0,06 121 0,09 146 0,11

22 0,06 47 0,04 72 0,07 97 0,08 122 0,05 147 0,06

23 0,10 48 0,07 73 0,04 98 0,06 123 0,12 148 0,01

24 0,03 49 0,14 74 0,04 99 0,07 124 0,07 149 0,08

25 0,05 50 0,06 75 0,08 100 0,09 125 0,06 150 0,14

При этом следует иметь в виду, что на погрешность формы оказывает влияние материал обрабатываемой детали. Так, при прочих равных условиях, погрешность формы отверстия в нижней головке в 4 раза меньше, чем погрешность формы отверстия во втулке из оловянистой бронзы (Бр ОЦЮ - 2 ГОСТ 18175-72), запрессованной с натягом

45~ 120мкм, в верхнюю головку шатуна. Объясняется это влиянием материала шатуна (ст. 40Х ГОСТ 4543 - 71) и втулки (Бр. ОЦЮ - 2ГОСТ 18175-72).

Выполненные исследования позволяют раскрыть механизм образования погрешностей обработки основных размеров поршней и шатунов с целью разработки мероприятий по совершенствованию технологических процессов и стабилизации геометрических параметров точности.

Библиографический список:

1. Бочкарев В.Н. исследование и оптимизация допусков на изготовления деталей цилиндропоршневой группы судовых малоразмерных дизелей. - Диссертация к.т.н. - Л 1975 - 289с.

2. Булатов В.П. Исследование и оптимизация параметров точности и технологических методов формирования поверхностей трения деталей цилиндропоршневой группы судовых дизелей: Автореферат диссертации, д.т.н. - Л.,1981 - 36с.

3. Артомонова Е.С. Поноровская Е.В. Черный А.П., Точность формы поперечного сечения при тонком растачивании - Станки и инструмент., 1977с. 4 - 10.

4. Дамский А.М. Технология обеспечения надежности высокоточных деталей машин. -М. Машиностроение.1975. - 223с.

5. Капустин Н.М. Разработка технологических процессов обработки деталей на станках с помощью ЭВМ. - М., Машиностоение,1976 - 288с.

УДК 621.882.085/.086.004 Вагабов Н.М., Курбанов А.З.

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА ЗЕНКЕР-МЕТЧИК С НОВОЙ СХЕМОЙ РЕЗАНИЯ

Vagabov N. M., Kurbanov A.Z.

EXPLANATION END DEVELOPMENT OF COMBINED TOOL CORE DRILL TAP WITH THE NEW CUTTING SCHEME

Приведены результаты исследования процесса изготовления резьбы в труднообрабатываемых материалах. Разработана новая технология с применением комбинированного зенкер-метчика, который позволяет стабилизировать припуск под дальнейшую обработку, исправить ось отверстия и обеспечить большую жесткость инструмента. Установлены факторы, влияющие на качество и производительность изготовления резьбы, надежность и работоспособность режущего инструмента метчика. Даны рекомендации по уменьшению трения и нагрева инструмента, что обеспечит большую жесткость и стойкость.

Ключевые слова: резьба, припуск, зенкер-метчик, жесткость, стойкость, шероховатость.

The results of the research on thread making in hard-to-machine materials are given. A new technology with use of combined core drill tap allowing the stabilization of the stock for

24