Обеспечение контактной жесткости деталей машин на основе управления технологическими условиями обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.02.08 - Технология машиностроения

Обеспечение контактной жесткости деталей машин на основе управления технологическими условиями обработки

Дмитриева Марина Николаевна

Рыбинск - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Киричек Андрей Владимирович

доктор технических наук, профессор Непомилуев Валерий Васильевич

Ведущая организация Пермский государственный технический университет, г. Пермь

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б.М.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. С повышением требований к качеству машин возрастает роль контактной жесткости. Значение влияния контактной жесткости на эксплуатационные параметры сопряжений весьма велико. Потеря контактной жесткости не ведет непосредственно к выходу изделия из строя, однако является причиной потери герметичности соединения, а также изменения посадки и величины натяга в неподвижных соединениях, что и является причиной отказа или поломки машин.

Существующие в настоящее время способы расчетного определения контактной жесткости основываются на зависимостях, полученных эмпирическим путем, и могут быть применены только для определенных условий контактирования поверхностей. Кроме того, существующие зависимости не устанавливают взаимосвязь контактной жесткости с технологическими условиями обработки контактирующих поверхностей, под которыми понимаются не только режимы резания, но и геометрия режущего инструмента, а также физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материалов. Получение подобных зависимостей является весьма актуальной проблемой. В данной работе выполнены исследования, направленные на решение этой задачи.

Цель и задачи исследования. Целью работы является обеспечение заданных значений контактной жесткости высоконагруженных деталей машин на основе установления взаимосвязи контактной жесткости и податливости поверхностей деталей с технологическими условиями их обработки (режимами обработки, геометрическими параметрами режущего инструмента и др.), а также физико-механическими свойствами материала детали.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить существующие зависимости, устанавливающие взаимосвязь контактной жесткости и податливости сопрягаемых поверхностей с шероховатостью поверхностей и физико-механическим состоянием поверхностного слоя деталей.

2. Изучить существующие зависимости, устанавливающие взаимосвязь контактной жесткости и податливости сопрягаемых поверхностей с технологическими условиями их обработки.

3. Выполнить теоретический анализ влияния технологических условий обработки поверхностей на контактную жесткость.

4. Получить теоретико-экспериментальные зависимости, устанавливающие взаимосвязь контактной жесткости и технологических условий обработки контактирующих поверхностей при различных видах обработки.

5. Выполнить экспериментальную проверку полученных теоретических зависимостей.

Методы исследования. При выполнении работы использовались научные основы технологии машиностроения, теории контактирования твердых тел и технологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя. Эксперименты проводились с использованием метода планирования экспериментальных исследований и установки для определения контактной жесткости.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Алгоритм расчетного определения контактной жесткости поверхностей деталей во взаимосвязи с технологическими условиями их обработки, на примере трех наиболее распространенных методов обработки.

2. Алгоритм расчетного определения режимов обработки контактирующих поверхностей, обеспечивающих получение заданной контактной жесткости.

Научная новизна работы.

1. Получены теоретико-экпериментальные зависимости, устанавливающие взаимосвязь контактной жесткости контактирующих поверхностей с технологическими условиями их обработки и физико-механическими свойствами материалов контактирующих поверхностей.

2. Разработан алгоритм расчетного определения контактной жесткости поверхностей при заданных технологических условиях их обработки.

3. Разработан алгоритм расчетного определения режимов обработки, обеспечивающих заданную контактную жесткость.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается корректным использованием фундаментальных теоретических положений, относящихся к взаимодействию контактирующих поверхностей, в области технологии машиностроения, контактной жесткости, теории упругости и пластичности.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика расчетного определения контактной жесткости во взаимосвязи с технологическими условиями обработки и свойствами материалов контактирующих поверхностей.

2. Разработана методика расчетного определения режимов резания, обеспечивающих заданную контактную жесткость обрабатываемых поверхностей.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии - НМТ-2006», Москва, 2006 г.; международной научно-технической конференции «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей», Рыбинск, 2007 г.; научно-технической конференции, посвященной 50-летнему юбилею кафедры «Авиационные двигатели» РГАТА имени П.А. Соловьева, Рыбинск, 2007 г; научных семинарах на кафедре «Технология авиационных двигателей и общего машиностроения» РГАТА имени П.А. Соловьева 2007 - 2009 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, из них три - в журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 215 страницах, иллюстрирована 50 рисунками и содержит 47 таблиц. Диссертация состоит из введения и пяти глав. Список использованных источников содержит 106 наименований.

2. Содержание работы

В первой главе выполнен обзор литературных источников по рассматриваемой проблеме, обоснована актуальность работы, поставлены цель исследования и сформулированы задачи для достижения цели.

Вопросам влияния параметров качества поверхностного слоя контактирующих поверхностей, как геометрических, так и физико-механических, на контактную жесткость посвящены научные работы большого числа ученых, среди которых Д.Н. Решетов, З.М. Левина, Н.Б. Демкин, Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, А.С. Проников, М.А. Елизаветин, А.М. Сулима и многие другие.

Качество поверхностного слоя формируется в процессе механической обработки и в основном определяется ее технологическими условиями. Исследования влияния технологических условий обработки на качество поверхностного слоя нашли отражение в работах Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова, А.А. Маталина, А.М. Сулимы, М.А. Елизаветина, К.С. Колесникова, А.В. Киричека, В.В. Непомилуева, В.Ф. Безъязычного, Т.Д. Кожиной и др. Однако выполненный обзор литературных источников показал, что в настоящее время в литературе отсутствуют методики теоретического расчетного определения контактной жесткости напрямую в зависимости от технологических условий обработки контактирующих поверхностей. Существующие на данный момент зависимости устанавливают взаимосвязь контактной жесткости только с параметрами качества поверхностного слоя контактирующих поверхностей, и, в большинстве случаев, носят эмпирический характер, что делает невозможным их применение для широкого спектра условий обработки материалов с различными физико-механическими свойствами.

Во второй главе выполнен теоретический анализ взаимосвязи контактной жесткости и податливости поверхностей с параметрами качества поверхностного слоя с целью получения теоретико-экспериментальных зависимостей для определения контактной жесткости поверхностей во взаимосвязи с параметрами качества поверхностного слоя.

Контактная жесткость оценивается по величине коэффициента контактной жесткости j, определяемого как отношение нагрузки Р, действующей в стыке, к контактному сближению поверхностей у. Величина, обратная коэффициенту контактной жесткости, называется коэффициентом контактной податливости щ.

Контактные сближения складываются из упругих у_упр и пластических у_пл деформаций выступов микронеровностей контактирующих поверхностей. На основании зависимостей для определения величины упругих и пластических деформаций выступов микронеровностей, предложенных А.Г. Сусловым, а также выражений Э.В. Рыжова по определению контурной площади контакта и зависимостей, предложенных В.Ф. Безъязычным для определения степени и глубины наклепа в данной работе были получены зависимости пластической и упругой контактной деформации от параметров качества поверхностного слоя для различных видов контакта поверхностей: для контакта шероховатой и гладкой поверхностей, а также для контакта двух шероховатых поверхностей при параллельном, перпендикулярном и произвольном расположении следов обработки на контактирующих поверхностях.

Подобные зависимости для контакта двух шероховатых поверхностей при произвольном расположении следов обработки (случай наиболее характерный для реального контакта) имеют следующий вид

(1)

(2)

где r₁, r₂ - приведенный радиус закругления вершины единичной микронеровности; r_пр1, r_пр2 - радиус закругления вершины единичной микронеровности в продольном направлении; r_поп1, r_поп2 - радиус закругления вершины единичной микронеровности в поперечном направлении; N₁, N₂ - количество вершин микронеровностей находящихся в контакте; н - параметр кривой опорной поверхности шероховатости; Rz₁, Rz₂ - высота неровностей профиля контактирующих поверхностей в поперечном направлении; m - показатель степени, определяемый как сумма параметров кривых опорных поверхностей; k₅ - коэффициент, полученный в результате численного решения исходного интегрального уравнения для отыскания фактической площади контакта; k₃ - коэффициент, учитывающий изменение величины сближения контактирующих поверхностей при деформации микронеровностей за счет осадки основания; К - коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала; h_с - глубина наклепа в поверхностном слое контактирующей поверхности; k(e) - эллиптический интеграл первого рода; су_Т - напряжение, приводящее в пластическое состояние выступ, где с - коэффициент; Е - модуль упругости материала детали; м - коэффициент Пуассона материала детали; tm - относительная длина опорной поверхности на уровне средней линии; Sm - средний шаг неровностей профиля; n_поп - порядок параболоида, моделирующего выступ микронеровностей профиля в поперечном направлении (положительное рациональное число). В формулах (1) и (2) индексами 1 обозначены параметры, относящиеся к поверхности с большей твердостью, индексами 2 - относящиеся к поверхности с меньшей твердостью.

На основе полученных выражений разработан алгоритм расчетного определения величины контактного сближения поверхностей (рис. 1).

В третьей главе выполнен теоретический анализ взаимосвязи величины контактного сближения поверхностей с технологическими условиями их обработки. На основе уравнений, полученных во второй главе диссертации, с использованием зависимостей, устанавливающих взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя (высоты микронеровностей, глубины наклепа) с условиями обработки получены зависимости для определения контактного сближения поверхностей. Данное теоретическое исследование проводилось для каждого из четырех видов контакта на примере трех наиболее распространенных видов обработки поверхностей: точения, фрезерования и шлифования.

Для установления взаимосвязи качества поверхности с технологическими условиями обработки при точении использовались выражения, полученные В.Ф. Безъязычным. На их основании получены формулы для определения пластических у_пл (3) и упругих у_упр (4) деформаций выступов микронеровностей контактирующих поверхностей.

, (3)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Блок-схема определения контактной жесткости поверхностей при и ;

, (4)

где S_ф - значение подачи, являющееся функцией толщины среза;

(5)

где b₁ - ширина среза; а₁ - толщина среза; b - суммарная длина рабочей части режущих кромок; д - длина фаски износа по задней поверхности инструмента; с₁ - радиус округления режущей кромки резца; И - максимальная температура в любом слое обрабатываемой поверхности; В - безразмерный комплекс, характеризующий угол схода стружки; ф_р - сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу; б и г - задний и передний угол резца; V - скорость резания; а - температуропроводность материала обрабатываемой детали; л, л_р - теплопроводность обрабатываемого и инструментального материалов; в и е - угол заострения и угол при вершине резца в плане; сс - объемная теплоемкость материала обрабатываемой детали; а₂, b₂, х - коэффициенты, зависящие от сочетания свойств обрабатываемого и инструментального материалов.

Был выполнен расчет величины контактного сближения на примере материалов, имеющих широкое применение в авиадвигателестроении, и получены зависимости, характеризующие взаимосвязь контактного сближения поверхностей с условиями их обработки.

Для установления взаимосвязи параметров качества поверхности с технологическими условиями обработки при торцовом фрезеровании были также использованы выражения, полученные В.Ф. Безъязычным, а при плоском шлифовании использовались зависимости, полученные С.Г. Бишутиным.

В диссертации с позиций физики процесса резания объяснены полученные закономерности изменения контактной жесткости при изменении технологических условий обработки поверхностей.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, проводившихся для трех видов обработки поверхностей: при обработке точением, торцевым фрезерованием и плоским шлифованием, на образцах из двух материалов, соответствующих принятым при расчете в главе 3. Рассматривался контакт двух шероховатых поверхностей при произвольном расположении следов обработки.

При проведении экспериментов контактные поверхности образцов обрабатывались при определенных режимах обработки, после чего определялась величина контактного сближения обработанных поверхностей. Нагрузка на стык составляла 1000 Н, что соответствует принятой при теоретических расчетах.

Эксперименты для всех исследуемых видов обработки выполнялись с использованием теории планирования экспериментов в виде полнофакторного эксперимента с матрицей 2³. В качестве входных параметров использовались наиболее характерные для конкретного вида обработки: для точения и торцевого фрезерования таковыми являются подача на оборот и подача на зуб соответственно, скорость и глубина резания; для плоского шлифования - скорость детали, глубина резания и продольная подача.

По результатам экспериментов были получены эмпирические зависимости, пригодные для инженерных расчетов. Например, при обработке контактирующих поверхностей точением контактное сближение может быть определено по формуле

- для ХН73МБТЮ

; (6)

- для ВТ9

. (7)

Аналогичные зависимости получены при обработке контактирующих поверхностей фрезерованием и шлифованием.

Данные экспериментальных исследований были использованы для сопоставления с результатами расчетов по теоретическим зависимостям, полученным в главе 3. Приведено графическое сопоставление результатов эксперимента с результатами теоретического исследования. Расхождение колеблется от 8 до 14%, что допустимо для практического использования теоретических уравнений.

Пятая глава посвящена вопросам практического применения результатов исследования. На основании выражений полученных в главе 3 разработан алгоритм расчетного определения режимов обработки контактирующих поверхностей, обеспечивающих заданную контактную жесткость стыка.

В качестве примера рассматривался анализ сборочной размерной цепи статора компрессора газотурбинного двигателя (ГТД). Одним из видов конструкции корпусов компрессора являются корпуса так называемого «чулочного» типа (рис. 2). Корпуса данной конструкции представляют собой кольцевые детали с фланцами для взаимного соединения. Сборка корпусов друг с другом осуществляется посредством болтового соединения. Количество болтов в стыке обусловливается размерами деталей, и составляет для среднеразмерного двигателя порядка 40-50 штук на стык. При этом осевая сила, возникающая в стыке при затяжке болтов, может достигать порядка 1100 Н. Тогда величина контактного сближения поверхностей в стыке, определенная по формулам, полученным в главе 3, составит порядка 0,00426 мм. Определяющим размером при сборке статора компрессора является габаритный размер А₆, величина которого будет зависеть от контактных сближений по стыкам корпусов Б, В, Г, Д, Е. В рассматриваемом примере суммарные контактные сближения по стыкам будут равны 0,0213 мм, что составит 8…15% от допуска на данный размер, который равен, как правило, 0,15…0,25 мм.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Статор компрессора с корпусами «чулочного» типа

Рассмотренный выше случай является примером применения полученных в данной работе соотношений, устанавливающих взаимосвязь контактного сближения, следовательно контактной жесткости, поверхностей деталей с технологическими условиями их обработки, на практике на этапе технологической подготовки производства.

Основные результаты и выводы

В работе решена актуальная научно-техническая задача расчетного определения контактной жесткости и податливости поверхностей. Проведенные исследования позволили получить следующие результаты и сделать выводы:

1. Полученные теоретико-эмпирические зависимости для определения контактного сближения поверхностей во взаимосвязи с технологическими условиями обработки и физико-механическими свойствами материала контактирующей поверхности, позволили разработать алгоритм расчетного определения контактной жесткости сопрягаемых поверхностей пригодный для использования в инженерных расчетах.

2. Разработанный алгоритм расчетного определения контактного сближения контактирующих поверхностей позволяет на этапе технологической подготовки производства определять оптимальные условия обработки поверхностей, обеспечивающие требуемую величину контактного сближения поверхностей.

3. Полученные зависимости позволили расчетным путем определить возможности различных методов обработки поверхностей в обеспечении контактной жесткости стыков.

4. При обработке контактирующих поверхностей лезвийным инструментом при определенной скорости резания наблюдается минимальное значение контактного сближения поверхностей, что говорит о наличии оптимальной с данной точки зрения скорости резания. Увеличение глубины резания при лезвийной обработке ведет к уменьшению контактного сближения, увеличение подачи, напротив, к его увеличению.

5. При обработке контактирующих поверхностей абразивным инструментом увеличение скорости детали приводит к уменьшению контактного сближения, увеличение продольной подачи, как и увеличение глубины резания, влечет за собой увеличение контактного сближения поверхностей.

Список публикаций

технологический жесткость материал деталь

1. Дмитриева М.Н. Влияние макроотклонений поверхностей деталей на их контактную жесткость / М.Н. Дмитриева // Материалы и технологии XXI века: сборник статей IV Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2006. - С. 199-201.

2. Дмитриева М.Н. Влияние качества поверхностей контактирующих деталей на контактную жесткость / М.Н. Дмитриева. // Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений: Материалы Международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьёва и В.Н. Кондратьева. - Ч. 2. - Рыбинск: РГАТА, 2006. - 240 с. - С. 55-58.

3. Дмитриева М.Н. Определение остаточных напряжений в поверхностном слое деталей и их регулирование / Дмитриева М.Н. // НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ - НМТ-2006. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 21-23 ноября 2006 г. В 3 томах. Т 2. - М.: ИЦ МАТИ, 2006. - 18 с. - С. 13-14.

4. Дмитриева М.Н., Сутягин А.Н. О взаимосвязи эксплуатационных свойств поверхностного слоя деталей авиационной техники с режимами механической обработки / М.Н. Дмитриева, А.Н. Сутягин // ВЕСТНИК Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева: Сборник научных трудов. - Рыбинск, 2007. - № 1 (11). - 394 с. - С. 48-51.

5. Дмитриева М.Н. Взаимосвязь контактной жесткости и шероховатости поверхностей при пластическом контакте / М.Н. Дмитриева // ВЕСТНИК Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П.А. Соловьева: Сборник научных трудов. - Рыбинск, 2007. - № 1 (11). - 394 с. - С. 59-63.

6. Дмитриева М.Н. Определение пластической деформации микронеровностей контактирующих поверхностей / М.Н. Дмитриева // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2007. № 6. - С. 4-5.

7. Дмитриева М.Н. Технологическое обеспечение контактной жесткости поверхностей деталей авиационных двигателей / М.Н. Дмитриева // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. № 11. - С. 22-24.

8. Дмитриева М.Н. Сближение поверхностей при пластическом и упругом контакте и технологические условия их обработки / М.Н. Дмитриева // XV Туполевские чтения: Международная молодежная научная конференция, 9 - 10 ноября 2007 года: Материалы конференции. Том I. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та. 2007. 444 с. - С. 32-33.

9. Дмитриева М.Н. Взаимосвязь контактной жесткости поверхностей, обработанных точением, с технологическими условиями их обработки / М.Н. Дмитриева // Справочник Инженерный журнал. 2008. № 8. - С. 14-18.

Размещено на Allbest.ru