Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,021

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ МАЛОЙ ЖЁСТКОСТИ

Повышение требований к качеству продукции промышленности при одновременном снижении её материалоёмкости влечёт всё большее использование деталей малой жёсткости, и в частности деталей типа валов (штоки, оси, шпиндели запорной арматуры и др.).

Основным показателем точности маложёстких валов является прямолинейность. Достижение последней при изготовлении валов с соотношением длины к диаметру выше 30 сопряжено с трудностями из-за необходимости борьбы с технологическими остаточными деформациями (ТОД) изгиба, возникающими в процессе изготовления, имеющими свойство наследования по операциям и занимающими доминирующее положение в балансе точности.

Образование ТОД изгиба связано с изменением напряжённого состояния заготовки вала после удаления вместе с неравномерным припуском части остаточных напряжений (ОН), имевших место в заготовке до обработки, а также формированием непосредственно механической обработкой неравномерных напряжений в поверхностном слое заготовки.

Применение традиционных технологий, заключающихся в чередовании токарного точения, правки изгибом, термической обработки на снижение уровня ОН и повторении данного цикла несколько раз, не приводит к желаемым результатам, т.к. при проведении правки изгибом формируются дополнительные ОН, а термообработка увеличивает ТОД изгиба. Кроме того, известные технологии являются длительными и энергоёмкими.

Целью исследований явилось обеспечение прямолинейности валов с соотношением длины к диаметру более 50. В результате выявлены последовательность и виды технологических операций, наиболее рационально обеспечивающих поставленную цель.

1. Правка исходных заготовок растяжением. Последняя в отличие от правки изгибом дополнительно не формирует ОН, снижает имеющиеся технологические ОН и деформации изгиба исходной заготовки пропорционально отношению модуля упругости (Е) материала к модулю пластичности (Еп) материала. Для большинства сталей Е/Еп>20, поэтому снижение исходных деформаций заготовок валов и технологических ОН существенно. Для сталей, имеющих площадку текучести (Еп=0) правка полностью устраняет исходный изгиб и ОН.

Перед проведением правки растяжением необходим выбор заготовки по максимально допустимым исходным деформациям изгиба, рассчитанным по специальной методике. Подобное имеет целью не допущение формирования зон наклёпа сжатием в процессе правки.

Наиболее рационально совмещение правки растяжением с термообработкой заготовок на заданные механические свойства её материала. Это достигается применением специальных несложных устройств, защищённых патентами РФ, использующих разность температурных расширений металлов при нагреве или охлаждении.

2. Применение технологических операций, не основанных на нагреве и снижающих уровень ОН, а также стабилизирующих форму заготовки. Для этого наиболее рациональна вибрационная обработка крутильным моментом на резонансных частотах системы «заготовка - вибратор» (защищена патентом РФ), которая приводит к равномерной силовой проработке заготовки вала по всей длине и в поперечных сечениях, к снижению и стабилизации ОН без образования ТОД изгиба заготовки. Кроме того, она не требует сложного и громоздкого оборудования, большого расхода энергии и времени.

3. Применение при токарной обработке само центрирующего люнета и виброгасителя. В комплексе последние обеспечивают точность центрирования заготовки, препятствуют её упругому смещению, повышают виброустойчивость технологической системы. Снижению (в 3‑6 раз) ТОД изгиба, формируемых при резании, способствует уменьшение подачи, увеличение скорости резания и глубины, а также уменьшение вспомогательного угла в плане режущего инструмента и увеличение радиуса его вершины. Режимы обработки и геометрия инструмента определяются по специальной методике исходя из фактически имеющихся ТОД изгиба от предыдущих операций и заданного допуска на прямолинейность готового вала.

В процессе токарной обработки необходимо регулировать межцентровое расстояние (РМЦ), т.к. его постоянство сказывается отрицательно, увеличивая ТОД изгиба за счёт возникновения ТОД удлинения заготовки, вызванное удалением припуска при наличии в сердцевине заготовки ОН отрицательного знака и положительного на периферии. В случае формирования у заготовки ТОД сжатия (ОН в сердцевине со знаком плюс, а на периферии - минус) постоянство РМЦ ведёт к снижению виброустойчивости из‑за уменьшения усилий центров токарного станка. Крайне отрицательно применение шлифования на чистовых операциях из‑за больших тепло вложений, приводящих к росту ТОД изгиба и образованию в поверхностном слое вала положительных ОН, способствующих снижению прочности. Наиболее предпочтительно точение износостойкими резцами из минералокерамики.

4. Фрезерование. Снижение ТОД изгиба, формируемых при фрезеровании элементов типа пазов, обеспечивается таким их расположением по окружности поперечных сечений вала (без изменения расположения по длине) и режимами фрезерования, при которых деформирующие воздействия взаимно нейтрализуются или компенсируются ТОД изгиба от предыдущих операций. Подобное определяется специальным расчётным методом.

Однако в отдельных исключительных случаях применение специальных мер по снижению ТОД изгиба в процессе изготовления может стопроцентно не привести на финише к ожидаемым результатам, поэтому возникает необходимость проведения прецизионной правки. Правка изгибом неприемлема для этих целей ввиду невозможности достоверного контроля процесса исправления малых величин деформаций, каковыми являются ТОД изгиба уже готового изделия и снижения характеристик прочности последнего. Применение методов правки поверхностным пластическим деформированием (ППД), основанных на целенаправленном изменении существующего напряжённого состояния вала за счёт регулирования режимами ППД напряжений в поверхностном слое, требуют использования сложных устройств, управляющих параметрами ППД на цикле каждого оборота вала. Для устранения этих недостатков разработан и защищён патентом РФ метод правки ППД, в процессе осуществления которого параметры ППД неизменны.

Сущность метода заключается в создании упругих напряжений в вале изгибом внешним моментом в направлении обратном исправляемым ТОД изгиба и подавлении части созданных упругих напряжений за счёт формирования с помощью ППД на фиксированных режимах поверхностного деформированного слоя с образованием начальных напряжений (НН). Под последними понимаются напряжения имеющие место в вале после закрепления и обработки ППД, но до удаления внешних связей. После удаления внешнего момента НН перераспределяются, вал деформируется в виде изгиба возврата и образуются ОН, которые уравновешены во всех направлениях по внутренним силам и моментам. Поэтому вновь сформированные ОН не могут являться причиной ТОД, т.к. деформации уже произошли.

Для совмещения оси вала при возврате с его номинальным положением установлена функциональная зависимость величин упругого перегиба вала от исправляемых величин ТОД изгиба, свойств материала вала, геометрии его поперечных сечений и параметров ППД. Практическая проверка соответствия значений параметров правки со значениями, рассчитанными по выявленным зависимостям, показала удовлетворительное соответствие.

Использование упругого перегиба вала в качестве основного параметра управления правкой позволяет достоверно осуществлять контроль процесса исправления, т.к. значения величин перегиба на порядок больше требуемых к исправлению. Попутно достигается повышение прочностных характеристик изделия за счёт обработки ППД.

Применение разработок в химическом машиностроении позволило освоить выпуск валов из сталей 30Х13, 12Х18Н10Т с отношением длины к диаметру до 85 при допуске на прямолинейность до 10 мкм на 1 погонный метр длины вала.


Библиографическая ссылка

Мазур В.К. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВАЛОВ МАЛОЙ ЖЁСТКОСТИ // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 5. – С. 69-70;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=22947 (дата обращения: 25.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074