Автоматизированное технологическое обеспечение жесткости поверхностей деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.8; 621.9; 65.011.56

Автоматизированное технологическое обеспечение жесткости поверхностей деталей машин

Д.М. Медведев,

В.А. Хандожко

Рассмотрены разработка и экспериментальная проверка алгоритма и программы для автоматизированного технологического обеспечения нормальной статической контактной жесткости шлифованных поверхностей деталей машин и их стыков на стадии конструкторско-технологической подготовки производства.

Ключевые слова: нормальная статическая контактная жесткость, автоматизированное технологическое обеспечение, шлифование, детали машин, подготовка производства.

Эксплуатационные свойства деталей и их соединений в изделии определяют качество и надежность машин. Одно из основных эксплуатационных свойств - нормальная статическая контактная жесткость поверхностей деталей машин и их стыков. Общеизвестно, что доля контактных перемещений в общих деформациях деталей и их стыков в машине под нагрузкой очень велика (например, в технологическом оборудовании она доходит до 80%). Поэтому контактная жесткость в значительной степени определяет точность и долговечность машин.

Контактная жесткость зависит от состояния поверхности детали, которое формируется на финишных операциях технологических процессов механической обработки и характеризуется совокупностью геометрических и физико-механических параметров качества. Наиболее распространенной финишной операцией является шлифование, позволяющее обеспечить высокие качество поверхностного слоя и точность размеров детали [16; 17].

Сейчас развивается новое научное направление в технологии машиностроения - одноступенчатое технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин и их соединений, которое основывается на объединении и автоматизированном решении задач конструктора и технолога для определения оптимальных условий обработки деталей на стадии конструкторско-технологической подготовки производства [4; 6; 9-12; 14]. Для реализации автоматизированного технологического обеспечения рассматриваемого эксплуатационного свойства необходимы эмпирические или теоретические формулы взаимосвязи контактной жесткости с условиями шлифования различных видов поверхностей деталей машин.

При эмпирическом моделировании устанавливается непосредственная функциональная взаимосвязь между условиями шлифования детали и контактной жесткостью путем проведения специально поставленных опытов в определенных условиях. В результате обработки опытных данных получают эмпирические формулы - обычно в виде степенных функций. Недостатки эмпирического моделирования: частный характер получаемых формул, отсутствие в них ясно выраженного физического содержания, необходимость проведения большого числа трудоемких опытов. Однако при проведении многофакторного экстремального эксперимента с использованием автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) последний недостаток теряет актуальность. Например, для плоских поверхностей деталей машин в [14] эмпирические формулы получены в результате многофакторного экстремального эксперимента, выполненного с применением АСНИ контактной жесткости [13]. Данные эмпирические формулы учитывают небольшое число условий шлифования (твердость материала детали, зернистость шлифовального круга, скорость заготовки и поперечной подачи, число выхаживаний) и справедливы только в пределах условий проведенного эксперимента.

При теоретическом моделировании обычно используется метод подстановки, при котором сначала определяются параметры качества поверхностного слоя детали в зависимости от условий шлифования, затем для найденных параметров качества рассчитывается контактная жесткость. Получаемые данным методом теоретические формулы обладают большей универсальностью, чем эмпирические, так как справедливы для всего диапазона учитываемых в них параметров и условий, но менее точны и достаточно громоздки. Однако при автоматизированном расчете последний недостаток становится незначимым, поэтому для реализации автоматизированного технологического обеспечения контактной жесткости оптимальным является использование метода подстановки. Например, в [14] для плоских поверхностей деталей машин теоретические формулы получены методом подстановки зависимостей параметров качества поверхностного слоя деталей машин от условий их шлифования в формулы для определения контактной жесткости из [9]. программа автоматизированный жесткость

В [4; 9] получены теоретические формулы для определения параметров качества поверхностного слоя детали (шероховатости, волнистости, макроотклонения и степени упрочнения) в зависимости от условий абразивной обработки. Однако в данных формулах учитывается небольшое число условий шлифования и отсутствует единый подход к описанию формирования профиля неровностей шлифованной поверхности.

Этих недостатков лишена теоретическая модель формирования параметров качества поверхностного слоя детали [2], учитывающая весь комплекс взаимосвязанных условий абразивной обработки: материал и размеры обрабатываемой поверхности детали; материал абразива, диаметр, высоту, скорость, зернистость, твердость, номер структуры, класс неуравновешенности и режимы алмазной правки шлифовального круга; глубину шлифования; скорость заготовки и поперечной подачи, число выхаживаний. Кроме того, данная модель может быть использована для различных видов абразивной обработки (плоского, круглого наружного и внутреннего шлифования).

В [4; 9] получены теоретические зависимости нормальной контактной жесткости неподвижного стыка двух деталей от параметров качества их поверхностного слоя при первом и повторных нагружениях:

; ,

где P - нагрузка на стык; A - геометрическая площадь контакта; y₁, y_повт - нормальные контактные перемещения при первом и повторном (6-кратном) нагружении соответственно.

; .

Здесь y_пл1, y_пл2 - пластические контактные деформации поверхностных слоев первой и второй контактирующих деталей соответственно; y_уп1, y_уп2 - упругие перемещения нижележащих слоев первой и второй контактирующих деталей соответственно.

Заменив в формулах из [4; 9] величину на , получим

; (1)

,

где Ra, Wz, Hmax - параметры шероховатости, волнистости и макроотклонений поверхностного слоя детали соответственно; c - коэффициент стеснения (можно принять с = 3); k - степень упрочнения поверхностного слоя детали; у_т, µ, E - предел текучести, коэффициент Пуассона и модуль упругости материала детали соответственно; Sm - средний шаг выступов шероховатости.

Для определения контактной жесткости поверхности только одной детали с учетом ее шероховатости и волнистости по методическим рекомендациям [1; 13] путем вдавливания оснований закаленных до твердости 62-63 HRCэ инденторов с шероховатостью Rz 0,05-0,10 мкм под нагрузкой необходимо знать номинальную площадь A_a контакта. В табл. 1 приведены результаты геометрического расчета величины A_a для различных видов поверхностей деталей при условии абсолютной гладкости и жесткости инденторов (у_пл2 + у_уп2 = 0).

Таблица 1. Геометрический расчет номинальной площади A_a контакта поверхности детали с основаниями абсолютно гладких и жестких инденторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

После подстановки зависимостей из табл. 1 в формулу (1) при условии отсутствия макроотклонений (Hmax = 0; A = A_a) получим теоретические формулы для расчета пластических контактных деформаций поверхностных слоев при нормализованном определении контактной жесткости с учетом шероховатости и волнистости для различных видов поверхностей деталей:

- для плоских

;

- для наружных цилиндрических

;

- для внутренних цилиндрических

.

Здесь R₁ - радиус детали; D₂ - диаметр цилиндрического индентора с плоским основанием; R₂, L₂ - соответственно радиус и длина цилиндрического основания индентора.

Автоматизированное технологическое обеспечение рассматриваемого эксплуатационного свойства реализует алгоритм определения оптимальных по производительности условий шлифования, обеспечивающих допустимую контактную жесткость поверхностей деталей и их стыков (рис. 1, 2). Сначала вводятся исходные данные, которые в случае обеспечения контактной жесткости стыка будут одинаковы для обеих поверхностей образующих его деталей. При этом выбор вида шлифования позволяет задавать шероховатость поверхности детали. Затем выбирается материал абразивных зерен в зависимости от материала поверхности по справочным рекомендациям [7]. После этого выбираются диапазоны и шаг изменения условий в зависимости вида и типа шлифования с учетом возможностей шлифовальных станков и стандартных параметров шлифовальных кругов (табл. 2) [7]. Далее обнуляются число выхаживаний I, максимальная производительность шлифования Q_max, максимально достижимая контактная жесткость j_max.

Затем среди всех возможных сочетаний выполняется последовательный поиск наиболее производительных условий шлифования, обеспечивающих допустимую контактную жесткость при условии отсутствия прижогов на поверхности, которое проверяется по допустимой производительности Q_доп (рис. 2). Контактная жесткость рассчитывается методом подстановки параметров качества поверхностного слоя, определяемых по модели из [2], в теоретические зависимости из [9], причем при нормализованном определении с учетом шероховатости и волнистости используются полученные выше формулы для расчета величины y_пл. При поиске запоминаются наилучшие условия шлифования, обеспечивающие максимально достижимую контактную жесткость.

Если поиск завершился неудачей, то изменяется число выхаживаний I от 1 до 8 с шагом 1 при наилучших условиях шлифования и повторяется расчет контактной жесткости (рис. 1). Когда допустимая контактная жесткость не обеспечивается выхаживанием при выбранном типе шлифования, выводится предупреждающее сообщение и алгоритм завершается. Если наиболее производительные условия шлифования найдены (с выхаживанием или без), то выбираются режимы алмазной правки по справочным рекомендациям.

В итоге алгоритм завершается выводом результатов.

По разработанному алгоритму средствами объектно-ориентированного языка программирования Delphi была написана программа OptiCont (рис. 3). Ввиду громоздкости и сложности используемых теоретических моделей код программы содержит несколько классов, которые расположены в отдельных модулях. При отладке программы проверялся каждый метод класса с помощью пошагового выполнения и рассчитывается период стойкости шлифовального круга, выбирается смазочно-охлаждающее технологическое средство (СОТС) в зависимости от материала поверхности по справочным рекомендациям [15].

Рис. 1. Блок-схема алгоритма автоматизированного технологического обеспечения контактной жесткости шлифованных поверхностей деталей машин и их стыков [2]

Стык - это соединение деталей, прикладываемых одна к другой. Материалы деталей машин, наиболее часто используемые в стыках, определялись на примере металлорежущих станков и станочных приспособлений (табл. 3) [3].

На основе табл. 3 по справочным данным [5] была создана база данных материалов, содержащая следующие поля: имя (марка), тип (0 - сталь; 1 - чугун), твердость по Бринеллю (HB), предел текучести (у_т), предел прочности (у_в), сужение после разрыва (ш), относительное равномерное сужение (ш_р), модуль упругости (E), коэффициент Пуассона (µ), коэффициенты для расчета периода стойкости круга, тип СОТС. База данных материалов представляет собой файл формата dBASE (рис. 4).

Таблица 2. Диапазоны изменения условий в зависимости от вида и типа шлифования

Рис. 3. Программа OptiCont

Таблица 3. Материалы деталей в стыках металлорежущих станков и станочных приспособлений

Для экспериментальной проверки разработанных алгоритма и программы была изготовлена пара плоских прямоугольных образцов из незакаленной (HB 190) стали 45 c размером стыкуемой плоской поверхности 90 Ч 40 мм. Один из образцов имеет отверстие диаметром 32 мм, необходимое для его закрепления на опоре измерительного узла АСНИ контактной жесткости, разработанной на кафедре «Автоматизированные технологические системы» УНТИ БГТУ. Для обеспечения базирования второго образца на измерительном столике АСНИ было изготовлено специальное приспособление. Кроме этого, была написана программа, реализующая расчет контактной жесткости по заданным условиям шлифования [8].

Рис. 4. База данных материалов

Образцы шлифовались парами при их установке длинной стороной вдоль направления продольной подачи стола плоскошлифовального станка мод. 3Е710В. Варьировались скорость продольной подачи V_з и поперечная подача V_п стола станка. Неизменными были глубина шлифования t = 15 мкм и параметры шлифовального круга 1 200Ч25Ч32 15А 25 СМ2 7 К5 35 м/с А 2 кл. ГОСТ 2424-83. Перед шлифованием круг правился алмазным карандашом на следующих режимах: 3 хода с глубиной 0,02 мм и 2 хода с глубиной 0,01 мм.

Геометрические параметры Rmax и Wmax качества поверхностного слоя образцов после шлифования в продольном и поперечном направлениях измерялись на профилометрах мод. 170311 завода «Калибр» и MarSurf PS1 немецкой фирмы «Mahr». Максимальная высота Rmax выступов шероховатости определялась по показаниям профилометра, максимальная высота Wmax волн получена путем обработки волнограмм и графиков профиля поверхности.

Величины контактных перемещений и контактной жесткости при заданном давлении для первого и повторного нагружений стыка двух одинаково шлифованных образцов измерялись с помощью АСНИ. Для геометрической площади контакта A = 2800 мм² максимальное давление 4 МПа достигалось при нагрузке на стык P = 11300 Н.

В результате опытов получены расчетные и эмпирические значения параметров качества поверхностного слоя деталей, контактной жесткости их стыка при давлении 4 МПа (табл. 4), кривые контактных перемещений.

Таблица 4. Результаты экспериментальной проверки разработанных алгоритма и программы

Анализ расчетных и эмпирических значений параметров качества поверхностного слоя деталей, относительной погрешности д расчета контактной жесткости их стыка при первом и повторных нагружениях (табл. 4), кривых контактных перемещений позволяет сделать вывод о хорошей адекватности используемых теоретических моделей, разработанных алгоритма и программы для автоматизированного технологического обеспечения контактной жесткости шлифованных поверхностей деталей машин и их стыков.

Список литературы

1. МР 42-82. Метод определения нормальной контактной жесткости неподвижных стыков. Методические рекомендации. - М.: ВНИИМАШ, 1982.

2. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании: монография / С.Г. Бишутин. - М. : Машиностроение-1, 2004. - 143 с.

3. В помощь конструктору-станкостроителю / В.И. Калинин, В.Н. Никифоров, Н.Я. Аникеев [и др.]. - М.: Машиностроение, 1983. - 288 с.

4. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов [и др.]; под ред. А.Г. Суслова. - М. : Машиностроение, 2009. - 320 с.

5. Марочник сталей и сплавов / под ред. А.С. Зубченко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. - 782 с.

6. Медведев, Д.М. Одноступенчатое технологическое обеспечение износостойкости цилиндрических поверхностей деталей машин при механической обработке / Д.М. Медведев // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2010. - № 2. - С. 4-9.

7. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев [и др.]; под общ. ред. И.А. Ординарцева. - Л.: Машиностроение, 1987. - 845 с.

8. Суслов, А.Г. Автоматизация расчета нормальной контактной жесткости стыков плоских поверхностей шлифованных деталей / А.Г. Суслов, С.Г. Бишутин, Д.М. Медведев, В.А. Хандожко // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2006. - № 2. - С. 135-139.

9. Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения / А.Г. Суслов, А.М. Дальский. - М. : Машиностроение, 2002. - 684 с.

10. Суслов, А.Г. Одноступенчатое технологическое обеспечение износостойкости цилиндрических поверхностей деталей машин / А.Г. Суслов, Д.М. Медведев // СТИН. - 2010. - № 8. - С. 22-25.

11. Суслов, А.Г. Технологическое повышение долговечности поверхностей трения деталей машин на базе энергетического подхода / А.Г. Суслов, Д.М. Медведев, А.Н. Шоев // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2011. - № 6. - С. 46-48.

12. Суслов, А.Г. Энергетический подход к технологическому обеспечению износостойкости поверхностей трения деталей машин / А.Г. Суслов, Д.М. Медведев, А.Н. Шоев // Вестник машиностроения. - 2011. - № 10. - С. 56-58.

13. Хандожко, В.А. Модернизация автоматизированной системы научных исследований контактной жесткости на основе усовершенствованной нормализованной методики испытаний / В.А. Хандожко // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2006. - № 2. - С. 145-147.

14. Хандожко, В.А. Одноступенчатое технологическое обеспечение контактной жесткости плоских поверхностей деталей машин: автореф. дис. … канд. техн. наук / В.А. Хандожко. - Брянск, 2007. - 20 с.

15. Худобин, Л.В. Смазочно-охлаждающие жидкости при абразивно-алмазной обработке / Л.В. Худобин. - М.: Машиностроение, 1977. - 55 с.

16. Безъязычный, В.Ф. Расчетное определение технологических условий обработки, обеспечивающих заданную контактную жесткость сопрягаемых поверхностей / В.Ф. Безъязычный // Справочник. Инженерныйжурнал. Приложение. - 2014. - № 8. - С. 9-15.

17. Прогрессивные инструменты и технологии шлифования: коллективная монография / Под.ред. А.В. Киричека. - М.: Издательский дом СПЕКТР, 2013. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru