Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и задачи исследования 10
1.1. Анализ методов обработки точных глубоких отверстий малого диаметра 10
1.2. Сущность, технологические возможности и области применения дорнования 14
1.3. Особенности дорнования глубоких отверстий малого диаметра 23
1.4. Современные представления о влиянии степени толстостенности деталей на процесс дорнования 30
1.5. Задачи исследования 35
2. Методика экспериментальных исследований процесса дорнования глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах 37
2.1. Образцы, условия экспериментов и технологическая оснастка 37
2.2. Приборы, аппаратура и методики исследований 43
2.3. Обработка результатов экспериментов 51
3. Контактное взаимодействие инструмента с полыми толстостенными цилиндрами и их деформации при дорновании глубоких отверстий малого диаметра с большими натягами 53
3.1. Закономерности контактного взаимодействия инструмента с полыми толстостенными цилиндрами при дорновании глубоких отверстий малого диаметра с большими натягами 53
3.1.1. Влияние основных факторов на усилия дорнования 53
3.1.2. Влияние натяга и степени толстостенности полых цилиндров на ширину их контакта с рабочим конусом дорна и средние контактные давления 58
3.1.3. Влияние основных факторов дорнования на усадку отверстий 60
3.2. Деформации полых толстостенных цилиндров при дорновании глубоких отверстий малого диаметра с большими натягами 64
3.2.1. Образование наплывов металла на торцах полых толстостенных цилиндров 64
3.2.2. Расчет радиуса пластической области в обрабатываемых дорнованием толстостенных цилиндрах и окружной деформации на их наружной поверхности, соответствующей сквозному пластическому деформированию 72
3.2.3. Окружные и осевые остаточные деформации на наружной поверхности полых толстостенных цилиндров 75
3.2.4. Общая картина деформаций полых толстостенных цилиндров 80
3.2.5. Расчет диаметра наружной поверхности полых толстостенных цилиндров после дорнования отверстий 82
3.3. Выводы 86
4. Остаточные напряжения, деформационное упрочнение и шероховатость поверхности при дорновании глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах с большими натягами 89
4.1. Остаточные напряжения 89
4.2. Деформационное упрочнение металла 94
4.3. Шероховатость поверхности отверстий 102
4.4. Выводы 105
5. Точность при дорновании с большими натягами глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах. внедрение результатов исследования в производство 107
5.1. Статистическое исследование точности методом-малых выборок 107
5.2. Статистическое исследование точности методом больших выборок ... 114
5.3. Об образовании отклонений профиля продольного сечения отверстий в полых толстостенных цилиндрах, обрабатываемых дорнованием 125
5.4. Внедрение результатов исследования в производство 126
5.5. Выводы 131
Заключение 133
Список литературы 136
Приложение 1 150
Приложение 2 170
Приложение 3 171
- Особенности дорнования глубоких отверстий малого диаметра
- Образование наплывов металла на торцах полых толстостенных цилиндров
- Расчет диаметра наружной поверхности полых толстостенных цилиндров после дорнования отверстий
- Статистическое исследование точности методом больших выборок
Введение к работе
Актуальность работы. В машиностроении одной из существенных остается проблема обработки точных (IT6-IT&, Ra = 0,32... 1,25 мкм) глубоких отверстий малого диаметра (d = 0,8...5 мм; L/d= 4...50, где L -глубина отверстия). Наиболее широко используемые для окончательной обработки таких отверстий развертывание машинными и ружейными развертками, притирка и хонингование являются сложными и трудоемкими. Причем развертывание ружейными развертками и хонингование возможны только при использовании специальных станков, применение которых в условиях единичного и мелкосерийного производства не всегда оказывается эффективным.
Большую группу деталей, содержащих точные глубокие отверстия малого диаметра, образуют полые цилиндры со степенью толстостенности Did—'2,8. ..7 (D-их наружный диаметр). К ним относятся корпуса миниатюрных гидроцилиндров, трубки волноводов, сварочные наконечники и др. Анализ литературы показывает, что значительно увеличить производительность обработки отверстий, качество их поверхностного слоя и эксплуатационные свойства деталей указанной группы можно, используя дорнование с большими натягами (до 0,\d и более), выполняемом после сверления отверстий. Вместе с тем, процесс дорнования глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах, выполняемый с большими натягами, изучен слабо, что затрудняет его практическое применение. Поэтому исследование этого процесса и его технологических возможностей является актуальным.
Цель работы - повышение эффективности обработки точных глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах путем использования дорнования, выполняемого с большими натягами.
Методы исследований. В работе использовались основные положения теории упругости и пластичности, теоретической механики, технологии машиностроения, теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры. Обработка экспериментальных данных и аналитические исследования выполнялись на ПК.
Научная новизна состоит в: установленных закономерностях контактного взаимодействия инструмента с полыми толстостенными цилиндрами при дорновании глубоких отверстий малого диаметра с большими натягами; установленных закономерностях упруго-пластических деформаций полых толстостенных цилиндров при дорновании глубоких отверстий малого диаметра с большими натягами; выявленных особенностях формирования параметров точности и качества поверхностного слоя при дорновании глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах с большими натягами.
Практическая ценность заключается в: конструкциях устройств для дорнования глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах; предложенном способе базирования полых толстостенных цилиндров при дорновании глубоких отверстий малого диаметра; рекомендациях по выбору режимов и условий дорнования глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах из конструкционных углеродистых и легированных сталей; разработанном и внедренном в производство технологическом процессе изготовления корпуса миниатюрного гидроцилиндра, включающем операции дорнования глубоких отверстий с большими натягами и позволяющем обеспечить высокие эксплуатационные свойства этих деталей; использовании результатов выполненных исследований в учебном процессе - при чтении лекций по дисциплине, «Технология машиностроения» в Томском политехническом университете.
Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в сотрудничестве с коллегами кафедры «Технология автоматизированного машиностроительного производства» Томского политехнического университета. Участие в работе отражено в совместных публикациях. Личный - вклад автора включает проведение экспериментальных и теоретических исследований, обработку и представление их результатов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на научных семинарах кафедры «Технология автоматизированного машиностроительного производства» Томского политехнического университета в период с 2005 по 2010 г, а также были доложены на следующих конференциях: XII, XIII и XIV Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2006, 2007, 2008), III и IV Международных научно-технических конференциях «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2006, 2008), Международной молодежной научной конференции «XIV Туполевские чтения» (Казань, 2006), 6"и Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (Новосибирск, 2008), 6й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы в технологии машиностроения» (Новосибирск, 2009),- III и IV Международных научно- технических конференциях «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (Тюмень, 2005, 2008).
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ машиностроительного факультета Томского политехнического университета.
Объем и структура. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения, изложенных на 149 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка, 18 таблиц, список литературы, включающий 123 наименования, 3 приложения. Общий объем диссертации составляет 171 страницу.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, указана ее цель, кратко изложено содержание, сформулированы научная новизна и практическая ценность.
В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертационной работы и сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе изложена методика, описаны устройства, приборы и аппаратура для экспериментального исследования процесса дорнования глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах, а также дана методика обработки результатов экспериментов.
В третьей главе представлены результаты исследований контактного взаимодействия инструмента с полыми толстостенными цилиндрами и их упруго-пластических деформаций при дорновании глубоких отверстий малого диаметра с большими натягами. Приведена аналитическая зависимость для определения радиуса пластической области в обрабатываемых дорнованием полых толстостенных цилиндрах. Даны учитывающие влияние степени толстостенности полых цилиндров эмпирические зависимости для расчета усилий дорнования, усадки отверстий и наружного диаметра цилиндров после дорнования отверстий.
В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований возникающих при дорновании глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах остаточных напряжений и деформационного упрочнения. Рассмотрено влияние на них режимов дорнования и степени толстостенности полых цилиндров. В этой же главе приведены результаты исследований шероховатости поверхности, формирующейся при дорновании отверстий.
В пятой главе отражены результаты исследований точности глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах, обрабатываемых дорнованием с большими натягами. Приведен внедренный в производство новый технологический процесс изготовления корпуса миниатюрного гидроцилиндра, включающий операции дорнования глубокого отверстия с большими натягами и позволяющий обеспечить высокие эксплуатационные свойства этих деталей. Описаны устройство и инструменты, разработанные для выполнения этих операций.
В заключении сформулированы общие выводы по работе.
В приложении приведены акты об использовании результатов диссертационной работы, а также определенные при статистических исследованиях точности глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах значения критериев Фишера и Стыодента.
Особенности дорнования глубоких отверстий малого диаметра
При обработке деталей из горячекатаных и холоднодеформированных труб {DJdo— 1,2... 1,6) с большими натягами [до (0,1...0,2)с/0] точность отверстий может быть повышена в десятки раз (с ІТ16—ІТП до IT&-IT11) [54, 66, 75]. При более высоких требованиях к точности отверстий (IT6-IT7) необходима их предварительная обработка резанием [75].
В целом, с увеличением степени толстостенности Do/do деталей суммарные натяги дорнования рекомендуется снижать, а для достижения высокой точности обработанных дорнованием отверстий обеспечивать все более высокую точность их предварительной обработки.
В случае использования суммарных натягов более 0,0 U0 при обработке деталей с D0/do 3 наблюдаются специфические искажения формы образующих отверстия у торцов деталей, а на самих торцах возникают наплывы металла [72]. Однако с уменьшением диаметра отверстия до 1...3 мм эти искажения становятся незначительными [82]. Поэтому дорнование отверстий малого диаметра в деталях с Do/d0 3 может выполняться с суммарными натягами до (0,05...0,1) 05 обеспечивая повышение точности отверстий с ІТІІ-ІТ12 до IT6-IT7 [82]. Необходимо подчеркнуть, что для достижения наиболее высокой точности дорнование отверстий всегда необходимо осуществлять с малыми натягами на последних зубьях дорна [68, 72, 75, 82].
Результаты ряда экспериментальных и теоретических исследований показывают, что точность отверстий при дорновании в значительной степени определяется конструктивными особенностями обрабатываемых деталей. Имеющиеся на наружной поверхности деталей бурты, выточки и т.п. элементы обуславливают изменения толщин стенок и в той или иной степени увеличивают погрешности обработанных отверстий [67, 98, 107]. В связи с этим обработку деталей с резко переменной толщиной стенок рекомендуется осуществлять только в полуупругом режиме дорнования [66]. Точность отверстий в этом случае повышается на 50...80%. Шероховатость обработанной поверхности после дорнования зависит от совокупностиряда факторов: исходной шероховатости,суммарного натяга и: схемы его распределения по зубьям дорна, степени толстостенности Do/do детали, и ее конструктивных особенностей и некоторых других [19, 68, 74 106]; Суммарный натяг и схема его распределения по зубьям дорна (циклам дорнования), определяя, контактные давления; оказывают наиболее существенное влияние на шероховатость поверхности [68 74, 75]; Ирш постоянном значении суммарного натяга более интенсивное сглаживание неровностей происходит при меньших натягах на зуб (за:цикл дорнования);.. что объясняется большими контактными давлениями [72, 82]1 Вследствие-этого дорнование многозубым инструментом по сравнению; с однозубым обеспечивает получение более качественной поверхности, днако: увеличение числа зубьев (циклов; дорнования) сверх.определенного приводит , к; перенаклепу обработанной поверхности, ее: шелушению увеличению шероховатости [68, 74]. Для устранения возможных явлений; перенаклепа .целесообразно большую часть суммарного: натяга переносить на; первые: -Ж зубья дорна (циклы дорнования), используя, например,, логарифмическую: схему распределения суммарного натяга" [68]; В целом; дорнование:отверстий -в осесимметричных деталях с отношением Do/do Г,2 дает; возможность уменьшить высоту неровностей1 в десятки раз,, обеспечивая- шероховатость. поверхности по параметру Ra до 0;05...ОД мкм [74, 75; 108];
Возникающее при дорновании трение между зубьями: дорна; и обрабатываемой поверхностью приводит к интенсивным; сдвиговым деформациям, которые локализуются в слое толщиной 0,1.. .0,3 мм [66, 72, 74]. Экспериментально установлено, что относительный\ сдвиг при этом достигает 200...400% [72, 74]. Реализация; столь значительных деформаций приводит к значительному повышению микротвердости поверхностного слоя и формированию текстуры [67, 74] .. Максимальный прирост микротвердости поверхностного слоя после дорнования составляет 30... 160% и зависит от упрочняемости металла детали и режима обработки [74]. Наряду с упрочнением поверхностного слоя при дорновании в режиме сквозной пластической деформации происходит упрочнение всей детали, которое полностью определяется величиной суммарного натяга дорнования и упрочняемостью металла детали [72, 74].
Вследствие неоднородности пластических деформаций по толщине стенки, усугубляемой наличием контактного трения, после дорнования в деталях возникают весьма значительные остаточные напряжения (макронапряжения). Изучению остаточных напряжений, возникающих при дорновании, посвящен ряд исследований [3, 43, 47, 48, 66, 68, 69, 72, 74].
Остаточные напряжения определяются режимом дорнования (La, а), степенью толстостенности деталей Do/do, механическими свойствами их материала, а также схемой дорнования. Наибольшую величину имеют окружные остаточные напряжения, которые по величине близки к пределу текучести материала детали. Радиальные и осевые остаточные напряжения значительно меньше окружных [68, 69, 72, 74]. Для обеспечения у поверхности отверстия благоприятных по эксплуатационным соображениям, окружных остаточных напряжений сжатия дорнование необходимо осуществлять с малыми натягами на последних зубьях дорна [68, 72, 74].
В настоящее время дорнование отверстий находит все более широкое применение в промышленности. Дорнованием обрабатывают отверстия диаметром5 d0 от 1 до 160 мм глубиной до \00d0 [72, 82] в деталях с твердостью металла HRC 40.. .45, а в отдельных случаях - до HRC 60 [72] и даже больше [119]. Дорнование используют при изготовлении гильз гидро- и пневмоцилиндров, поршневых пальцев, цилиндров амортизаторов мотоциклов, втулок направляющих измерительных приборов, для окончательной обработки отверстий в подшипниковых втулках, запрессованных в корпус, волноводов, колец подшипников качения, сварочных наконечников для дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах и многих других деталей [11, 14, 67, 69, 72, 75, 77, 97]". - снизить затраты на обработку отверстий, а при обработке деталей из труб повысить коэффициент использования материала [25]; - значительно повысить эксплуатационные свойства деталей и их соединений: износостойкость [66, 72, 74], усталостную прочность [14, 36, 72], прочность прессовых соединений [35, 52, 55, 78]. Дорнование находит эффективное применение при восстановлении изношенных деталей: крестовин карданных валов, поршневых пальцев двигателей внутреннего сгорания, штоков гидроцилиндров и др. [36, 72]. Дорнование используют также в различных сочетаниях с режущим протягиванием, что позволяет повысить эксплуатационные свойства обработанных деталей и снизить расходы на эксплуатацию инструмента [17, 39, 50, 65]. Важным достоинством дорнования является высокая производительность. Так, например, штучное время операции дорнования отверстий в кольцах малогабаритных подшипников качения, при использовании в качестве инструмента шарика, составляет всего 0,7 с. [98]. К числу недостатков, присущих дорнованию следует отнести снижение точности наружных поверхностей деталей, а также их деформации при последующей обработке резанием из-за перераспределения остаточных напряжений [82]. Эти недостатки существенно ограничивают область применения дорнования.
Образование наплывов металла на торцах полых толстостенных цилиндров
В отверстиях этих втулок с натягом установлены дорны 8, 9 и 10, предназначенные для обработки отверстий различного диаметра. Над плитой 4 на колоннах 2 размещена верхняя подвижная плита 11, в которой электроэрозионной вырезкой выполнен ряд сквозных призматических пазов и прорезей. Пазы А используются для установки этой плиты на колоннах. Остальные пазы и соединяющие их сквозные прорези предназначены для направления сменных устройств перемещения дорнов. Каждое из этих устройств (рис. 2.3) состоит из толкателя 12 в виде цилиндрического стержня, размещенного в пазе Б (толкатели дорнов большего диаметра размещаются в пазах В и Г), и двух цилиндрических скалок 13, установленных в пазах Д. На нижних концах этих скалок имеются пазы, в которые запрессована траверса 14, размещенная в одной из упомянутых прорезей с возможностью взаимодействия с толкателем 12. В траверсе выполнен Т-образный паз, а толкатель снабжен поперечиной, размещенной в этом пазе. Верхние концы скалок запрессованы в переходную втулку 15, в которой винтом 16 закреплена бобышка 17, взаимодействующая с траверсой испытательной машины или штоком пресса. Для фиксации плит 4 и 11 на колоннах служат винты 18 и 19.
Диаметры скалок сменных устройств перемещения дорнов (и соответственно размеры пазов Д) выполнены одинаковыми. Это позволяет для перемещения п дорнов использовать только п+1 паз указанного типа и таким образом существенно упростить конструкцию приспособления. Для уменьшения контактных напряжений в стыке толкатель-траверса в средней части последней выполнено утолщение. Для обеспечения необходимой точности установки образца перед дорнованием отверстия по схеме сжатия приспособление снабжено индикаторным устройством, устанавливаемым в соответствующей позиции приспособления. Это устройство состоит из корпуса 20, привернутого к основанию 1 винтами 21. В корпусе 20 на оси 22 установлен выполненный в виде двуплечего рычага щуп 23. Левое плечо щупа (см. разрез Б-Б на рис. 2.3), размещаемое в выполненных в основании 1 пазах Е, установлено с возможностью взаимодействия с опорным торцом образца 3, а правое плечо находится в контакте с индикатором 24 типа ИРБ, зажатом в хомуте 25, который привернут винтами 26 к корпусу 20. Для отвода щупа от опорного торца образца 3 в корпусе 20 на валике 27 с рифленой головкой смонтирован эксцентрик 28.
Приспособление работает следующим образом. Образец 3 устанавливается на верхнюю плоскость основания 1 напротив дорна 8. Воздействием рукой на втулку 15 обеспечивается перемещение вниз по пазам Д скалок 13, соединенных траверсой 14, которая перемещает вниз по пазу Б толкатель 12. Последний, в свою очередь, перемещает вниз дорн 8, рабочий конус которого входит в отверстие образца 3 с небольшим усилием (около 10...20 Н). При этом цилиндрическая ленточка дорна 8 располагается в направляющей втулке 5. Сохраняя воздействие на образец 3 указанного усилия, поворотом валика 27 с эксцентриком 28 щуп 23 вводится в контакт с опорным торцом образца 3. Покачивая и вращая последний относительно дорна 8, добиваются совпадения опорного торца образца 3 с верхней плоскостью основания /, которое определяется по показаниям индикатора 24. Затем поворотом валика 27 с эксцентриком 28 щуп 23 отводится от опорного торца образца 3. Приложенное к нему усилие снимается. Включается привод и траверса испытательной машины (шток пресса) давит на бобышку 17 и через переходную втулку 15, скалки 13, траверсу 14 и толкатель 12 проталкивает сквозь отверстие образца 3 дорн 8, который падает в провальное отверстие в основании 1. Далее траверса испытательной машины (шток пресса) возвращается в верхнее положение. Устройство перемещения дорна 8, состоящее из бобышки 17, переходной втулки. 15, скалок 13, траверсы 14 и толкателя-12, вручную устанавливается в исходное положение. Обработанный образец 3 снимается с приспособления. Плита 4 опускается в крайнее нижнее положение и дорн 8 сверху устанавливается в отверстие направляющей втулки 5. Затем плита 4 возвращается в исходное положение, закрепляется на колоннах 2 и цикл дорнования повторяется.
Необходимо подчеркнуть, что описанная процедура выверки положения образцов, обеспечиваемая применением индикаторного устройства, позволяет с высокой точностью устанавливать образцы различного наружного диаметра и высоты относительно дорна. Это, в свою очередь, дает возможность практически исключить изгибающие нагрузки на дорн и обеспечить его высокую работоспособность.
Переналадка приспособления на обработку образцов других типоразмеров является очень простой и заключается в установке плит 4 и И на соответствующем расстоянии от основания 7, замене устройства перемещения дорна и переустановке индикаторного устройства.
Измерение геометрических параметров образцов и определение их деформаций. Измерения диаметров отверстий и погрешностей их формы после сверления (рассверливания) выполняли нутромером фирмы «Carl Zeiss Jena» (Германия), снабженным индикаторной головкой с ценой деления 0,002 мм, а после дорнования - компаратором с перфлектометром фирмы «Leitz» (Германия) с ценой деления 0,0002 мм. Диаметр наружной поверхности образцов и погрешности ее формы определяли на вертикальном оптиметре модели ИКВ с ценой деления 0,001 мм. Измерения диаметров этих поверхностей проводили, как правило, в трех поперечных сечениях образцов (в среднем по их высоте и на расстоянии 1 мм от их торцов). В каждом из этих сечений измеряли диаметры в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Средний диаметр поверхности принимали равным среднему арифметическому из шести значений ее диаметра, измеренных указанным образом. Изменение высоты образцов находили по изменению расстояния между нанесенными на их наружную поверхность отпечатками конического индентора. Эти отпечатки выполняли на расстоянии около 1 мм от торцов (бурта) образцов. Расстояние между отпечатками измеряли на микроскопе УИМ-21 с ценой деления 0,001 мм.
Расчет диаметра наружной поверхности полых толстостенных цилиндров после дорнования отверстий
Существующие представления о влиянии степени толстостенности полых цилиндров (при Do/do 3) на процесс дорнования отверстий, справедливые при малых суммарных натягах дорнования (около 0,0Ы0) ПРИ больших натягах [(0,02...0,16)t/0] не получили экспериментального подтверждения. 2. При больших натягах дорнования отверстий увеличение степени толстостенности полых цилиндров (вплоть до 11) сопровождается значительным повышением усилий, средних контактных давлений и усадки отверстий. При этом чем больше натяг дорнования, тем интенсивнее возрастают усилия. Средние контактные давления при одноцикловом дорновании отверстий оказываются тем больше, чем меньше натяг (в исследованном диапазоне его изменения).
С увеличением натягов дорнования все более толстостенные цилиндры претерпевают сквозные пластические деформации. Уже при натяге 0,047б/0 указанное имеет место для полых цилиндров из конструкционных углеродистых сталей с ДМ)= 3; при натяге 0,l3do - для цилиндров из этих же сталей с Д)/с/о= 7,5.
Вытесняемый при дорновании из отверстия металл смещается как на наружную поверхность полых толстостенных цилиндров, так и на их торцы, на которых возникают наплывы. Показано, что их образование происходит при входе и выходе инструмента из отверстия, причем формирование наплывов на входном торце цилиндров является немонотонным. Их размеры и объем по мере входа дорна в отверстие сначала увеличиваются, а затем снижаются. 5. Установлено, что объем наплывов возрастает с увеличением степени толстостенности полых цилиндров, натяга дорнования и числа его циклов и практически не зависит от глубины отверстий при Lo/do 2. При дорновании глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах подавляющая часть вытесняемого из отверстия металла смещается на их наружную поверхность. 6. Показано, что при дорновании отверстий с большими натягами возникают локальные отклонения формы наружной поверхности толстостенных цилиндров у их торцов. Предложена физическая модель образования этих отклонений. 7. Предложены отражающие влияние степени толстостенности обрабатываемых дорнованием полых цилиндров из конструкционных углеродистых сталей зависимости для расчета усилий и усадки отверстий, а также зависимости для расчета приращений наружного диаметра обрабатываемых дорнованием толстостенных цилиндров. Погрешности расчета по этим зависимостям усилий дорнования не превышают 20%, приращений наружного диаметра - 35%, а усадки отверстий - 40%.
Исследования остаточных напряжений проводили на образцах в виде полых цилиндров из стали Х12Ф1 (НВ 2100 МПа, о0;2 = 450МПа) с диаметром отверстий do = 5 мм и высотой 30 мм. В образцах первого типа наружный диаметр составлял 15,9 мм (степень толстостенности A/ofo = 3,2), второго типа - 23 мм (Do/do = 4,6). Дорнование отверстий выполняли однозубыми дорнами из твердого сплава ВК8. Углы рабочего и обратного конусов дорнов составляли 6, ширина соединяющей их цилиндрической ленточки была 3 мм. Дорнование отверстий осуществляли за один и два цикла с использованием специального приспособления со скоростью около 0,5 м/мин. В качестве смазочного материала при этом применяли смесь жидкости МР-7 с дисульфидом молибдена. Значения натягов, использованных при дорновании отверстий, приведены в таблице 4.1.
На рис. 4.1 приведены графики зависимостей приращений наружного диаметра и высоты образцов сД= 15,9 мм, обработанных дорнованием с различными режимами, от радиуса г их внутренней поверхности при электроэрозионной вырезке. На рис. 4.2 даны такие же графики для образцов с D0 = 23 мм. Все графики построены на основе экспериментов, проведенных на двух образцах. На основе этих зависимостей, используя известные соотношения И.А. Биргера, приведенные в разделе 2.2., были рассчитаны остаточные напряжения в обработанных дорнованием образцах [101]. При расчете принимали: модуль упругости стали = 2-Ю5 МПа, коэффициент Пуассона \± = 0,3. Расчет остаточных напряжений выполняли на компьютере с использованием программы Microsoft Excel 2007.
Распределение окружных (а0), радиальных (аг) и осевых (а,) остаточных напряжений вдоль радиуса г образцов (эпюры напряжений) показано на рис. 4.3 и 4.4. Из них видно, что во всех исследованных случаях окружные остаточные напряжения в области, прилегающей к отверстию, являются сжимающими; а в области, прилегающей к наружной поверхности образцов, — растягивающими. Радиальные остаточные напряжения равны нулю на поверхности отверстия и наружной поверхности образцов и являются сжимающими в остальной их области.
Осевые остаточные напряжения распределены вдоль радиуса образцов более сложным образом, однако, преимущественно у поверхности отверстия они сжимающие, а в наружной области образцов - растягивающие.
Наибольшими (по абсолютной величине) являются окружные остаточные напряжения. Их значения у отверстия образцов могут быть близки к пределу текучести стали Х12Ф1 (материала образцов) и даже превышать его. Значительно меньшими оказываются радиальные и еще меньшими — осевые остаточные напряжения.
Статистическое исследование точности методом больших выборок
Таким образом, повышение степени толстостенности образцов ведет к увеличению отклонений профиля продольного сечения обработанных дорнованием отверстий и, как следствие, к увеличению суммарного поля рассеивания их диаметров. Причем в образцах с Do/do 3,5 и ZV o 5 с увеличением числа циклов дорнования средние значения отклонений профиля продольного сечения отверстий неуклонно снижаются и их точность по параметру Д возрастает. В образцах же с Do/do 7 этого не происходит: средние значения отклонений профиля продольного сечения отверстий и Д с увеличением числа циклов дорнования остаются близкими к их значениям после первого цикла дорнования.
В целом при трехцикловом дорновании отверстий в образцах с Do/do 3,5 и D do 5 точность отверстий по параметру А% возрастает с /713 до /77, в образцах с DQ/d0 -7-е /Г13 до /78. При вакуумном отжиге обработанных дорнованием образцов независимо от степени их толстостенности наблюдается небольшое (около 0,001 мм) увеличение среднего значения среднего диаметра отверстий; его дисперсии изменяются несущественно (см. табл. 3 приложения 1). В образцах с Do/do 5 и Do/do 7 при этом заметно возрастают средние значения отклонений профиля продольного сечения отверстий; в образцах с D()ldQ — 3,5 они практически не изменяются. Вследствие этого точность обработанных дорнованием отверстий по параметру А в образцах с ДМ)— 3,5 после вакуумного отжига снижается примерно в 1,06 раза, в образцах Do/do 5 — в 1,2 раза, в образцах с ДМ) 7 — в 1,4 раза (см. табл. 5.1-5.3).
Таким образом, чем больше степень толстостенности обработанных дорнованием образцов, тем в большей степени при их вакуумном отжиге происходит снижение точности отверстий.
С целью более детального изучения закономерностей формирования параметров точности при дорновании глубоких отверстий малого диаметра в полых толстостенных цилиндрах применяли метод больших выборок и аппарат линейного корреляционного анализа [4, 103]. В качестве образцов использовали полые цилиндры из стали Х12МФ (НВ 2000 МПа) с диаметром отверстий около 2 мм, наружным диаметром 7 мм и высотой 10 мм. Отверстия получали сверлением спиральным сверлом диаметром 2 мм с ручной подачей на токарном станке. Скорость резания составляла около 10 м/мин, подача 5... 10 мм/мин. Дорнование отверстий выполняли вручную на вертикально-сверлильном станке однозубыми дорнами из твердого сплава ВК8, углы рабочего и обратного конусов которых были 6, а ширина цилиндрической ленточки - 2 мм. Эту обработку осуществляли за два цикла с суммарным натягом 0,065...0,236 мм. При этом натяг при втором цикле дорнования составлял 0,025 мм. Скорость дорнования была около 0,5 м/мин. В качестве смазочного материала при дорновании применяли смесь жидкости МР-7 с дисульфидом молибдена. После дорнования образцы подвергали вакуумной закалке и отпуску. Их проводили в печи СЭВ 3.3/11.5 при вакууме 0,0133 Па. Температура закалки составляла 1050С. Отпуск выполняли при температуре 200С в течение 1 часа. Твердость образцов после закалки и отпуска составляла HRC60...61. Измерение диаметров отверстий и наружных поверхностей образцов, а также оценку их точности производили по методике, описанной в разделе 2.2. Объем выборки составлял 75 образцов. Результаты исследования точности отверстий и наружных поверхностей образцов (цилиндров) методом больших выборок приведены нарис. 5.1 и 5.2 и в табл. 5.7-5.9 [102]. Установлено, что распределения минимальных, максимальных и средних диаметров отверстий (см. рис. 5.1) и наружных поверхностей (см. рис. 5.2) образцов после всех исследованных методов обработки в целом близки к нормальному. Следовательно, аппарат линейного корреляционного анализа может быть использован для решения указанных выше задач. Как следует из табл. 5.7, при двухцикловом дорновании точность отверстий по параметру Д повышается более чем на порядок — с ІТ14 до ІТ8. При этом резко сокращаются отклонения профиля продольного сечения и овальность отверстий (табл. 5.9). При двухцикловом дорновании точность отверстий оказывается примерно в 1,4 раза выше, чем при одноцикловом [102]. После вакуумной закалки образцов точность отверстий по параметру А (по сравнению с точностью после двухциклового дорнования) снижается примерно в 1,3 раза и соответствует ІТ9. Точность наружных поверхностей образцов после дорнования отверстий практически не изменяется (см. табл. 5.8 и рис. 5 .2).
