close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

О влиянии технологической наследственности при черновом фрезеровании крупногабаритных деталей..pdf

код для вставкиСкачать
Механика и машиностроение
УДК 621.9.011
О ВЛИЯНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ ПРИ ЧЕРНОВОМ
ФРЕЗЕРОВАНИИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
А.Е.Пашков1, А.В.Воинов2, А.С.Вяткин3, Ю.С.Тараканова4
1,4
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет,
Институт авиамашиностроения и транспорта,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2,3
ИАЗ - филиала ОАО "Научно-производственной корпорации "Иркут",
664020, г. Иркутск, ул. Новаторов, 3.
Проводится анализ причин отрыва закаленной плиты от вакуумного стола при черновом фрезеровании с целью
получения технологических баз и предварительной разгрузки плит. Рассматриваются силовые факторы, действующие на заготовку при фрезеровании на вакуумном столе, и производится оценка влияния каждого фактора.
Предлагаются меры по предотвращению отрыва заготовок от вакуумных столов.
Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: остаточные напряжения; эпюра термических остаточных напряжений; фрезерование с закреплением на вакуумном столе.
ON THE INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL HEREDITY WHEN LARGE PARTS ROUGH MILLING
A.E. Pashkov, A.V. Voinov, A.S. Vyatkin, Y.S. Tarakanova
National Research Irkutsk State Technical University,
Institute of Air Machine-Building and Transport,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
IAZ – branch of plc “Scientific-Production Corporation “Irkut“,
3, Novatorov St., Irkutsk, 664020.
The article carries out the analysis of the causes of the hardened plate separation from the vacuum table under the rough
milling in order to obtain technological bases and pre-unloading of plates. The force factors influencing a workpiece when
milling on the vacuum table are examined. The assessment of each factor impact is performed. The measures to prevent
the workpiece separation from the vacuum tables are proposed.
2 sources.
Key words: residual stresses; diagram of thermal residual stresses; milling with fastening on a vacuum table.
Как известно, одним из проявлений технологической наследственности является искажение формы
листовых и подкрепленных деталей каркаса летательных аппаратов, фрезеруемых из термически обработанных плит высокопрочных алюминиевых сплавов. При обработке технологических баз и предварительной разгрузке плиты может произойти отрыв заготовки от вакуумного стола и, как следствие, повреждение режущего инструмента и рабочих органов
станка. Для анализа причин этого явления рассмотрим
силовые факторы, действующие на заготовку при
фрезеровании на вакуумном столе.
Стационарная нагрузка qпр , прижимающая заготовку к вакуумному столу, включает две составляющие: удельную нагрузку qв , создаваемую системой
отсоса воздуха, и нагрузку
qm ,
обусловленную соб-
ственным весом заготовки, т.е. qпр  qв  qm .
Согласно ГОСТ 17232-79 заготовка может иметь
отклонение от плоскостности до 5 мм на базе одного
метра. При закреплении такой заготовки возникает
упругая деформация изгиба, которая приводит к появлению соответствующих напряжений.
Внутренние силовые факторы, действующие на
заготовку в процессе фрезерования, обусловлены
двумя причинами: нарушением равновесия эпюры
термических остаточных напряжений при удалении
припуска и остаточными напряжениями, возникающими вследствие резания.
Таким образом, сохранение неизменности положения заготовки обеспечивается при выполнении
условия
(1)
М пр  М фр ,
___________________________
1
Пашков Андрей Евгеньевич, профессор кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405148.
Pashkov Andrey, Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel. (3952) 405148.
2
Воинов Александр Владимирович, заместитель главного технолога, тел.: 89025150504.
Voinov Alexander, Deputy chief production engineer, tel.: 89025150504.
3
Вяткин Антон Сергеевич, инженер по метрологии, тел.: 89025143159.
Vyatkin Anton, Engineer for Metrology, tel.: 89025143159.
4
Тараканова Юлия Сергеевна, инженер кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405742,
89500832655.
Tarakanova Yuliya, Engineer of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405742,
89500832655.
52
ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (57) 2011
Механика и машиностроение
где
M пр
– изгибающий момент, прижимающий плиту
к вакуумному столу; М фр – изгибающий момент, действующий при фрезеровании:
М фр  М закр  МТОН  М рез .
Здесь
M закр
(2)
– изгибающий момент, возникающий в
связи с распрямлением заготовки, имеющей остаточную кривизну; М ТОН – изгибающий момент, обусловленный нарушением равновесия эпюры термических
остаточных напряжений при удалении припуска;
M рез
– изгибающий момент, обусловленный дей-
ствием остаточных напряжений от процесса резания.
В выражениях (1) и (2) положительным считаем момент, вызывающий поворот сечений заготовки против
часовой стрелки.
Анализ влияния перечисленных факторов выполним на примере конкретного случая отрыва плиты из
алюминиевого сплава марки В95пчТ2 размерами
3500х1600х35 мм от вакуумного стола фрезерного
станка с ЧПУ (рис. 1).
Согласно предварительным измерениям отклонения от плоскостности исследуемая плита соответствовала техническим требованиям ГОСТ 17232-79. Отклонения на базе 1000 мм не превышали 3 мм при
допустимых 5 мм. Дополнительные измерения стрелы
прогиба поверхности плиты на базе 200 мм с шагом
350 мм при помощи индикаторной планки показали,
что плита имела локальные отклонения от плоскостности в виде знакопеременного остаточного прогиба
рован остаточный прогиб (
fо  0,18 мм ) на обрабо-
танной стороне заготовки. Это является подтверждением того, что при закреплении плиты в крайних сечениях имела место упругая деформация изгиба, величину которой можно оценить по величине стрелы
остаточного прогиба на обработанной стороне.
Величина измеренного прогиба
f о была исполь-
зована в расчете изгибающего момента M закр , возникающего при закреплении заготовки:
M закр  2EK упр ( H пл  t )3 l упр fо / 3a 2 ,
(3)
где E – модуль упругости первого рода, для сплава
В95 E = 72000 МПа; K упр – коэффициент вида НДС,
характеризующий отличие зависимости между компонентами напряжений и деформаций в рассматриваемом направлении при сложном напряженнодеформированном состоянии (НДС) от зависимости,
отвечающей одноосному НДС в области упругих деформаций, при котором
изгибе пластин
K упр
= 1. При одноосном
K упр  1,125 ; l упр
– длина участка
плиты, упругодеформированного при закреплении;
f о – стрела остаточного прогиба заготовки; a
измерения стрелы прогиба, a  200мм .
– база
Расчет по формуле (3) дал следующий результат:
M закр  10358Нм .
t = 4,0
t=0
2-у
1100
Положение образца для определения
термических
остаточных
напряжений
Положение фрезы в момент отрыва
Х
Y
t = 1,0
Линия разрезки плиты
Точка измерения стрелы прогиба
Рис. 1. Схема удаления припуска с плиты и вырезки образцов для определения остаточных напряжений
как в продольном, так и в поперечном направлениях
(рис. 2). При этом наибольшие отклонения имели место с левой стороны – именно в той области, где произошел отрыв заготовки. В этой же области зафикси-
Схема к расчету внутренних силовых факторов,
действующих на заготовку при фрезеровании, приведена на рис. 3.
ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (57) 2011
53
Механика и машиностроение
Рис. 2. Результаты измерения стрелы продольного прогиба по середине заготовки с необработанной
и обработанной сторон
Для определения изгибающего момента
М ТОН ,
обусловленного нарушением равновесия эпюры термических остаточных напряжений при удалении припуска, использовали методику, приведенную в [1]. Из
исследуемой плиты произвели вырезку образцов с
размерами в плане 25035 мм (см. рис. 2). Вырезка
образцов осуществлялась на установке для водоабразивной резки ТС WS-4000. Каждый из образцов
был разрезан на две равные части по срединной
плоскости плиты, которые были измерены на наличие
остаточного прогиба. Поверхностные закалочные
в образцах определили
Для упрощения дальнейших расчетов компоненты
остаточного напряженного состояния плиты были приняты одинаковыми:
 Тповпл  ( Тповпл х   Тповпл y ) / 2 = 128,52 МПа.
Распределение термических остаточных напряжений в закалѐнной плите в системе координат с началом на поверхности заготовки описывается известным
параболическим уравнением
по формуле

1 4 EH

(1   ) 3а 2
пов
Т об
2
пл
 Тo j   Тпов (
fm
,
H пл  r
где
где μ – коэффициент Пуассона, в упругой области μ =
0,33; Hпл – толщина плиты, мм; r – ширина реза, мм;
f m – средний прогиб частей разрезанного образца,
мм,
 Тoбр   Тпов 
Уравнение (6) описывает распределение неуравновешенных по сечению остаточных напряжений
в плите нашли как
1
( Тповоб j   Тповоб k ), j; k  x; y . (4)
2
1 
В результате расчета по формуле (4) получили
следующие значения компонент закалочных остаточ-
–
Нпл
– термические остаточные напряжения на
Z
+
 Тoбр
в обработанной заготовке толщиной
H пл  t ,
закреплѐнной на вакуумном столе.
Удельный (на единицу длины) изгибающий моуд
мент М ТОН , обусловленный нарушением равновесия
 То
–
t
 Тповпл j 
(5)
 6

6
( z  t )2 
( z  t )  1 .(6)
2
H пл
 H пл

f m  ( fоб в  fоб н ) / 2 .
 Тповпл
 Тпов
6 2
6
z 
z  1) ,
2
H пл
H пл
поверхности плиты (см. рис. 3).
После удаления с плиты припуска t и переноса
начала координат на обработанную поверхность формула (5) примет вид
Поверхностные закалочные остаточные напряжения
= 144,80 МПа.
 Тпов
н
 рез
lфр
Z
+
уд
Р рез
МТОН
Нзаг
 Тповоб
 Тповпл х = 112,24 МПа;  Тповпл у
zc рез
остаточные напряжения
ных напряжений в плите:
Мрез
Lзаг
Рис. 3. Силовые факторы, действующие на заготовку при фрезеровании с закреплением на вакуумном столе
54
ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (57) 2011
Механика и машиностроение
эпюры термических остаточных напряжений при удалении припуска, определяется следующим уравнением:
М

уд
ТОН
H пл t

 Тoбр (
0
H пл  t
 z )dz ,
2
(7)
где t – припуск, удаляемый при фрезеровании заготовки.
Интегрирование (7) с учетом (6) даѐт выражение
уд
М ТОН


Изгибающий момент
пов
Т
( H пл  t ) t
М ТОН j , возникающий при
уд
ТОН фр
l
,
(8)
Расчет по формуле (8) дал следующий результат:
М ТОН  5987 Нм .
В связи с тем что задача аналитического определения остаточных напряжений, возникающих при фрезеровании, на сегодняшний день не имеет полного
решения, для нахождения изгибающего момента
обусловленного этими напряжениями, была
использована методика, предложенная в [2]. Согласно
этой методике производилась обработка образцов,
вырезанных из заготовки в направлении осей X и Y
(см. рис. 1) и определялись компоненты изгиба и относительной деформации растяжения-сжатия, обусловленные фрезерованием. Толщина исследуемых
образцов составляла
hоб  t  3мм ,
где t – припуск, удаляемый с заготовки в момент отрыва.
Обработка образцов заключалась в их фрезеровании с применением инструмента, режимов резания
и с моделированием траекторий перемещения инструмента, использованных при обработке плиты в
момент ее отрыва. При фрезеровании с образца снимали припуск, удаляемый с плиты в момент отрыва.
После обработки образцов производилось измерение их удлинения и стрелы прогиба на базе 200 мм
при помощи индикаторных приспособлений. Результаты измерений приведены в таблице.
Результаты измерения образцов
Ед. из- Результат
Наименование Обозначение
мерения измерения
Стрела
прогиба
Относительное удлинение
2
Н
2 f Н 
z  об  об  об  ;
2
3  об  Lоб 
об
c
f об x
мм
0,08
f об y
мм
0,05
 об  Lоб / Lоб
-
0,00045
(9)
Роб  ЕН об об ,
где
zсоб
до точки приложения силы
образца;
(10)
– расстояние от обработанной поверхности
 об –
Роб ; f об – стрела прогиба
относительное удлинение образца,
 об  Lоб / Lоб ; Н об , Lоб
где lфр – длина обработанного участка.
zcоб точки еѐ
приложения определяли с использованием формул,
полученных для линейного распределения остаточных
напряжений [2]:
.
удалении фрезерованием припуска t с участка поверхности плиты, определили как
M рез ,
ствующей на образец, и координаты
3
2 H пл2
М ТОН  М
Для
дальнейших
расчетов
использовали
наибольшее значение стрелы прогиба.
Расчет удельной растягивающей силы Роб , дей-
– толщина и длина об-
разца.
В результате расчета по формулам (9) и (10) были
получены значения:
zcоб  3, 2 103 м, Роб  210,6 кН/м.
Удельный изгибающий момент
уд
M рез
,
действую-
щий на заготовку в связи с еѐ фрезерной обработкой,
был найден следующим образом:
H

уд
M рез
 Роб  пл  zсоб   56, 78Нм .
 2

Изгибающий момент M рез , действующий на обработанный участок заготовки длиной
lфр , определи-
ли как
уд
M рез  M рез
lфр  62, 46Нм.
Таким образом, в процессе фрезерования с закреплением на вакуумном столе на заготовку действует суммарный изгибающий момент М фр , который
согласно (2) составляет
М фр = 5987+10358–62=16283 Нм.
Удельную (на единицу длины) нагрузку
qв , дей-
ствующую на заготовку со стороны вакуумного стола,
вычисляли по формуле
qв  Kг ( Pатм  Pв ) Fпл / Lпл ,
(11)
где
K г – коэффициент герметичности, K г =
0,8…0,85; Pатм – атмосферное давление, при расчете принято Pатм = 0,1 МПа; Pв – давление, создаваемое системой отсоса воздуха, Pв = 0,8 бар = 0,08
МПа; Fпл – площадь вакуумного стола для закрепле , Bпл – длина и ширина области плиния плиты; Lпл
ты, находящейся под воздействием вакуума. Учитывая, что размер ячейки вакуумного стола станка Gan-
ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (57) 2011
55
Механика и машиностроение
try CS 650/200 Т5 составляет 42 мм, а расстояние
 =
между ячейками – 7,5 мм, нашли значения: Lпл
3457,5 мм,
Bпл = 1576,5 мм.
При расчете по формуле (11) получили
qв  25310,4 Н/м.
Удельную массовую нагрузку qm для заготовки
прямоугольного сечения определяли при помощи зависимости
(12)
qm  mпл / Lпл  Bпл H плср  g ,
где
H плср – средняя по результатам замеров толщина
плиты,
H плср
= 34,904 мм; g – ускорение свободного
падения;  – плотность материала плиты,  = 2,85
3
т/м .
Расчет по формуле (13) дал следующий результат:
qm  1559 Н/м.
Таким образом, удельная нагрузка, прижимающая
плиту к вакуумному столу, составляет
qпр  qв  qm  26869, 4 Н/м.
Изгибающий момент М пр , прижимающий обработанный участок плиты к вакуумному столу, определяется зависимостью
2
М пр  qпрlфр
/2
и составляет
М пр  16256 Нм.
Подставляя найденные значения изгибающих моментов, действующих на заготовку при черновом фрезеровании, в выражение (1), получаем следующий
результат:
М фр > М пр ,
т.е. условие неизменности положения заготовки при
фрезеровании на вакуумном столе не выполнено.
Близкие расчетные значения М пр = 16256 Нм и М фр
= 16283 Нм свидетельствуют о том, что отрыв заготовки от вакуумного стола в рассматриваемом случае
произошел вследствие совокупного действия вышеперечисленных силовых факторов.
На основании приведенного выше анализа можно
заключить следующее.
Из трех рассмотренных факторов проявления технологической наследственности при черновой обработке наибольший вес (63,6%) в рассмотренном случае имеет остаточная кривизна заготовки, образовавшаяся, очевидно, в ходе металлургического цикла.
Влияние перераспределения термических остаточных
напряжений также достаточно существенно и составляет 36,7%. Влиянием остаточных напряжений, обусловленных процессом резания (0,4%), можно пренебречь.
В качестве рекомендаций, направленных на
предотвращение отрыва заготовок от вакуумных столов, можно предложить принятие следующих мер.
1) Введение дополнительного механического закрепления краев заготовки.
2) Включение в технологический процесс изготовления крупногабаритных деталей из термически
упрочненных плит дополнительных контрольных операций по выявлению отклонения заготовок от плоскостности и правильных операций по устранению
остаточной кривизны перед черновым фрезерованием.
3) Разработка и внедрение методов входного неразрушающего контроля термических остаточных
напряжений в закаленных плитах с разработкой методики оценки возможного коробления и технологических рекомендаций по его снижению.
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках комплексного проекта «Разработка и
внедрение комплекса высокоэффективных технологий
проектирования,
конструкторскотехнологической подготовки и изготовления самолета МС-21», шифр 2010-218-02-312.
Библиографический список
1. Каргапольцев С.К., Ботвенко С.И. Термические остаточ2. Замащиков Ю.И. Об исследовании на образцах начальные напряжения в заготовках призматической формы // Техных и остаточных напряжений в поверхностном слое // Менологическое и инструментальное обеспечение механообханика деформируемых сред в технологических процессах:
работки: сб. научн. тр. Иркутск: ИПИ, 1993. С. 9-12.
сб. научн. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1997. С. 44-48.
56
ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (57) 2011
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
3 332 Кб
Теги
технологическая, крупногабаритных, влияние, фрезерование, pdf, черновой, наследственность, деталей
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа