Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

Формирование заданного качества изделия осуществляется в ре­зультате механического и физико-химического воздействия на предмет труда через рабочий процесс. При рабочем процессе на предмет труда действуют усилия, теплота, химические реакции. Под их воздействием происходит качественное преобразование предмета труда, и чем выше степень воздействия, тем большие качественные изменения происходят с предметом труда. Это происходит как при непосредственном осуществ­лении рабочего процесса, так и во время нахождения предмета труда ме­жду операциями. Поэтому следует рассматривать формирование качества изделия как во время осуществления технологического перехода, так и на протяжении всего технологического процесса.

Рабочий процесс осуществляется с помощью соответствующей тех­нологической системы, которая находится под воздействием различных факторов. Реакция технологической системы на указанные воздействия приводит к нарушению заданного режима рабочего процесса и, как след­ствие, к отклонению качества изделия (рис. 1.6.1). Согласно этой схеме при осуществлении рабочего процесса действующие вспомогательные и сопутствующие процессы, окружающая среда порождают многочислен­ные факторы Фь Ф2, .., Фк, которые нарушают заданный закон относи­тельного движения или положения рабочих поверхностей. В итоге появ­ляются отклонения качества изделия от его номинального значения.

Технологическая система препятствует воздействию этих факторов вследствие наличия качества, образуемого такими свойствами, как жест­
кость, прочность, износостойкость, тепло­стойкость, виброустойчивость и др. И чем выше качество технологической системы, тем меньше влияние факторов на откло­нение показателей качества изготовления изделия.

Независимо от вида технологиче­ской системы, будь то сборочная машина или обрабатывающая технологическая система, механизм образования качества изделия подчиняется вышеприведенным положениям.

Одним из важнейших показателей качества изделия является его геометрическая точность. Значения геометрических погрешностей зави­сят от величин действующих факторов и уровня качества технологиче­ской системы. Процесс образования погрешности заключается в преодо­лении действующим фактором сопротивления технологической системы, оказываемого ею с помощью соответствующего качества.

Рассмотрим цепочку причинно-следственных связей этого меха­низма. Наличие большого разнообразия действующих факторов, усло­вий изготовления, порождающих геометрические погрешности изделия, затрудняет изучение причинно-следственных связей механизма их образования.

Фк

Многочисленные исследования показали, что большинство первич­ных факторов действуют косвенно или непосредственно через теплоту и усилия. Тепловое и силовое воздействие порождает упругие и тепловые перемещения, вибрации, изнашивание, деформации элементов техноло­гических систем, обусловленные остаточными напряжениями, что нару­шает заданные параметры режима рабочего процесса и в итоге приводит к отклонению фактического относительного движения рабочих поверх­ностей системы от заданного (рис. 1.6.2). Кроме того, на геометрические погрешности изготовления оказывает влияние геометрическая неточ­ность самой технологической системы. Рассмотрим механизмы образо­вания упругих, тепловых перемещений, изнашивания, остаточных на­пряжений элементов технологической системы, вибраций и остаточных напряжений.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

Рис. 1.6.2. Схема причинно-следственных связей формирования геометрических погрешностей

Упругие перемещения технологической системы представляют собой перемещения и повороты ее деталей, обусловленные собственно упругими перемещениями деталей, контактными деформациями и выбо­ром зазоров между деталями.

Упругие перемещения являются функцией действующих сил, их моментов и жесткости технологической системы, препятствующей их возникновению.

Процесс образования упругих перемещений протекает примерно следующим образом. На рис. 1.6.3, а показано, как точка А детали / под действием силы Р перемещается относительно детали II.

Для упрощения рассмотрим перемещения точки А под действием момента силы Р, приложенной в этой точке, направленной параллельно плоскости, пересекающей чертеж по оси у. Когда приложенная к детали I сила достигнет величины Р{ (рис. 1.6.3, б), достаточной, чтобы преодо­леть силы трения в стыке, деталь / начнет перемещаться относительно дета­ли II. Перемещение будет происходить до тех пор, пока деталь / не при­дет в соприкосновение с деталью II по небольшой поверхности контакта. За это время при относительно небольшом увеличении Р точка А пере­местится на значительную величину у,. На графике сила - перемещение (рис. 1.6.3, ж) появляется пологий участок медленно поднимающейся кривой.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

Рис. 1.6.3. Схема образования кривой зависимости упругих перемещений под действием силового фактора

В следующий промежуток времени при увеличении силы Р на со­пряженных участках поверхностей детали I к II начнет происходить кон­тактная деформация (рис. 1.6.3, в), в результате перемещение точки А будет происходить медленнее, чем увеличение силы Р. На графике поя­вится криволинейный участок кривой. Дальнейшее увеличение силы Р приводит к статическому равновесию, так как моменты, создаваемые си­лой Р и силой тяжести детали G, равны:

Pli = Gl2.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

По мере дальнейшего возрастания силы Д а следовательно, и мо­мента Р1, деталь начнет поворачиваться вокруг оси (рис. 1.6.3, г), перпен­дикулярной к плоскости чертежа; на графике (рис. 1.6.3, ж) появится
криволинейный участок. Точка Л переместится за это время на величину у,. Когда поворачивающаяся при возрастании силы Р деталь / придет в со­прикосновение с поверхностью 6-6 детали //, начнется контактная дефор­мация. Точка Л переместится дополнительно на величину у4 (рис. 1.6. 3. ()); на графике (рис. 1.6.3, ж) появится новый криволинейный участок.

Дальнейшее увеличение силы Р вызовет собственную деформации - деталей. Точка А детали / получит добавочное перемещение на величину \ч (рис. 1.6.3, е); на графике (рис. 1.6.3, ж) появится круто поднимающийся участок кривой. Изложенное схематически показано на графике ста перемещение (рис. 1.6.3, ж), где изображена вогнутая нагрузочная часть кривой. В общем случае возможны как криволинейные, так и прямоли­нейные участки кривой перемещений.

Задача усложняется, если от двух деталей перейти к узлу, в котором детали (относительное перемещение двух точек которых требуется опре­делить) соединяются рядом других деталей. Например, шпиндель соеди­няется с корпусом коробки скоростей при помощи подшипников и вту­лок. В таких случаях описанные явления могут происходить в различной последовательности между каждыми из двух сопрягаемых деталей, по­этому кривые на графиках сила - перемещение будут иметь различный вид.

Таким образом, относительные перемещения выбранных точек двух деталей узла представляют собой сумму перемещений, происходящих из - за наличия зазоров в стыках, контактных и собственных деформаций и поворотов деталей.

Итак, под действием внешних сил, приложенных к технологической системе; и сил, обусловленных рабочим и вспомогательными процесса­ми, происходит выборка зазоров между деталями технологической сис­темы, их контактные и собственные деформации; все эти явления возни­кают случайно. В результате детали технологической системы осуществ­ляют малые перемещения и повороты, нарушая заданное относительное движение заготовки и инструмента.

При увеличении действующих сил в итоге выбора зазоров сопро­тивляемость деталей технологической системы растет и при равенстве активных сил и сил сопротивления возникает равновесное состояние; перемещения прекращаются.

Роль активных сил и их моментов играют силы и моменты рабочего и сопутствующих процессов; например, в станке действуют сила резания и сила зажима заготовки. Кроме того, действуют силы тяжести элементов технологической системы, силы инерции, трения, которые, как и любая другая сила, характеризуются величиной, направлением и положением точки их приложения.

Таким образом, технологическая сис­тема находится под воздействием силово­го поля.

Для съема слоя материала с детали в технологической системе необходимо соз­дать натяг, с помощью которого обеспечи­вается равновесие сил резания, сопротив­ления, их моментов. Как только режущий инструмент (рис. 1.6.4) начинает врезаться в деталь, возникают силы резания, внут­ренние силы сопротивления материала, препятствующие удалению с него сни­маемого слоя, и силы трения.

Под действием этих сил и их момен­тов происходят относительные перемеще­ния деталей технологической системы. Перемещения деталей технологиче­ской системы происходят до тех пор, пока натяг (упругое перемещение^) в технологической системе не обеспечит равенство возмущающих сил и сил сопротивления. Иными словами, технологическая система представ­ляется как бы в виде пружины, которая при врезании инструмента в де­таль под действием внешних сил сжимается. Когда сила сжатия пружины станет равной силе сопротивления, начинается съем материала с заготов­ки. Величина сжатия пружины характеризует упругое перемещение (на­тяг) технологической системы. Чем больше силы сопротивления, препят­ствующие съему материала с детали, тем больше должна быть сила реза­ния при прочих равных условиях. Поскольку не существует технологиче­ских систем с абсолютной жесткостью, то в процессе резания всегда бу­дет натяг и, следовательно, глубина резания всегда будет отличаться от величины припуска на величину натяга, что и приводит к возникновению погрешности обработки.

Силовое поле, под воздействием которого находятся детали техно­логической системы, как правило неравномерно. В процессе эксплуата­ции технологической системы изменяется одновременно состав дейст­вующих сил, их значения, направления и положение точек приложения. Например, если рабочие органы движутся, то силы, обусловленные рабо­чим процессом, будут менять свое положение относительно заготовки.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

7777/77

Рис. 1.6.4. Схема образования упругого перемещения при врезании резца в заготовку

Воздействию силового поля на упругие перемещения препятствует жесткость технологической системы. Впервые вопросы жесткости были подробно изучены применительно к металлорежущим станкам.

Под жесткостью J, Н/мм, сбороч­ной единицы понимают отношение приращения нагрузки к получаемому приращению упругих перемещений:

J = АР/Ау [Н/мм].

Исследования показали, что в ре­зультате наличия зазоров в стыках, сложного неравномерного характера нагружения, особенностей конструкции, наличия геометрических погрешностей деталей жесткость технологической системы изменяется от одного цикла нагружения к другому. Это различие можно графически изобразить в виде петли гистерезиса. При одном и том же характере нагружения эта разница уже при третьем цикле нагружения сводится к минимуму (рис. 1.6.5).

Жесткость технологической системы или ее сборочной единицы за­висит от их конструктивных особенностей, материала деталей, вязкости смазочного материала и его объема, погрешностей формы поверхностей стыков, степени нагрева и др. Оценивая степень влияния зазоров в сты­ках, собственной жесткости и контактной жесткости на упругие переме­щения, можно отметить, что контактные упругие перемещения в общем балансе достигают 40...80 %.

Жесткость всегда является положительной величиной. Отрица­тельной жесткости не может быть, так как это противоречит физическо­му смыслу явления. При обработке заготовок наблюдается явление, когда с увеличением силы резания образуемый размер начинает уменьшаться. Это объясняется не наличием отрицательной жесткости, а направлением возникшего суммарного момента от всех действующих сил, вызвавшег о относительное перемещение инструмента и заготовки.

В качестве примера на рис. 1.6.6 показана схема обработки заготов­ки на токарном станке резцом с ср = 90°. В этом случае составляющая Рх будет значительно больше составляющей Ру силы резания.

При существующей конструкции токарного станка направление равнодей­ствующей R сил Рх и Ру пройдет правее точки О поворота суппортной группы станка. В результате под действием силы R на плече / резец врежется в заготовку и тем самым уменьшит диаметральный размер обработанной поверхности. И чем больше сила резания, тем больше вреза­ние и меньше диаметральный размер.

Жесткость технологической систе­мы во времени изменяется. Ее значения в статическом состоянии и во время рабо­ты могут существенно различаться. На­пример, существенное влияние на изме­нение жесткости оказывает нагрев тех­нологической системы, а также вибрации.

Средний уровень жесткости составляет примерно 20000 Н/мм (соот­ветствует тому, что при силе резания -2000 Н упругое перемещение со­ставит 0,1 мм).

Величина, обратная жесткости, получила название податливости W [мм/Н], которая характеризует способность сборочной единицы изменять относительное положение выбранных точек двух ее деталей в направле­нии действующей результирующей силы, т. е.

W - Mj.

И жесткость, и податливость являются качественными характери­стиками технологической системы, определяющими ее физическое со­стояние. Их следует определять при строгой регламентации всех факто­ров, оказывающих на них влияние.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

Рис. 1.6.6. Схема образования погрешности диаметрального размера

Тепловые перемещения технологической системы происходят в результате нагрева технологической системы. Тепловые деформации ее элементов порождают их перемещения и повороты, характер которых подобен упругим перемещениям. Элементы системы, нагреваясь, расши­ряются, в результате "выбираются" зазоры между элементами. Выбор зазоров происходит случайно, поэтому и контакты деталей возникают в
случайных местах. Контактирование порождает силы, моменты и, как следствие, повороты и перемещения деталей, а также контактные и соб­ственные деформации деталей.

Тепловые перемещения являются функцией выделяемой теплоты и теплостойкости технологической системы, т. е. способности ее сопротив­ляться тепловым перемещениям. Основными источниками теплоты яв­ляются рабочий процесс, работа, затрачиваемая на преодоление сил тре­ния, возникающих при соприкосновении движущихся деталей в меха­низмах. электродвигателях, гидроприводах. Другим источником теплоты является окружающая среда (нагретый воздух, лучи солнца, нагреватель­ные устройства).

Во время работы элементы технологической системы нагреваются неодинаково вследствие различного расположения источников тепла, их интенсивности и длительности выделения теплоты. В итоге тепловое по­ле технологической системы отличается по температуре в разных ее точ­ках (рис. 1.6.7).

Неравномерность нагрева порождает различные тепловые деформа­ции элементов системы. Элементы системы не имеют термоизоляции, поэтому происходит непрерывный перенос теплоты от более нагретой части технологической системы к менее нагретой. Этому также способ­ствуют и наличие различных трубопроводов, по которым перемещается рабочая среда определенной температуры.

Вид А

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

,7,2 16,8

135 13,5 15,1,6,5 16,1

16,8

L. /5.3

45,0 lh,5,3V И

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

-Е-

• • • • •

7,5 3,4- 2,3 1,5 1,1

Рис. 1.6.7. Температурное поле станка (цифры показывают перепады температур в °С)

Таким образом, непрерывно меняющееся тепловое поле системы служит дополнительным фактором, усложняющим процесс образования тепловых перемещений. В результате процесса выравнивания темпера­турного поля технологической системы через определенный промежуток времени при прочих равных условиях в системе возникает равновесное тепловое состояние с установившейся температурой.

Вибрации элементов технологической системы - это движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений, по крайней мере, одной координаты. Вибрация нарушает заданное относительное положение или движение рабочих органов технологической системы и тем самым поро­ждает геометрические погрешности.

Механизм образования перемещений элементов технологической системы, обусловленных вибрацией, отличается от механизма образова­ния упругих перемещений тем, что после прекращения действия возбуж­дающих факторов упругие перемещения прекращаются, а вибрация мо­жет сохраняться длительное время. Различают свободные, вынужденные колебания и автоколебания.

Свободные колебания - это колебания (вибрация) системы, происхо­дящие без переменного внешнего воздействия и поступления энергии извне. Условиями существования таких колебаний являются накаплива­ние телом при своем движении кинетической и потенциальной энергий при отклонении тела от состояния равновесия.

Причинами, вызывающими свободные колебания, являются быстрое снятие статической нагрузки, удар, толчок, включение и выключение двигателя, изменение скорости движущихся элементов технологической системы, изменение режима работы технологической системы и т. п.; со временем эти колебания затухают, что объясняется наличием трения. Этот эффект называют демпфированием.

Механические системы ведут себя так, как если бы они стремились непрестанно совершать свободные колебания, но наличие трения не позволяет этого. Свободные колебания определяются тремя основными характеристиками системы; массой, жесткостью и демпфированием. Перечисленные характеристики изменяются под действием различных причин.

Изменение массы или жесткости представляет собой изменение наиболее важных характеристик колебательной системы. Увеличение массы системы приводит к снижению всех ее собственных частот, а уве­личение жесткости - к возрастанию. Если конструкция элемента техно­логической системы недостаточно жесткая, то элемент будет накапливать энергию вследствие собственных деформаций. Все колебания, связанные с собственными деформациями элементов технологической системы, имеют высокие собственные частоты.

Обычно свободные колебания в результате демпфирования сравни­тельно быстро затухают. Информация о колебаниях этого типа очень важна, так как по ней узнают о динамических свойствах колебательной системы через частоты, формы, коэффициент демпфирования, что позво­ляет предсказывать поведение механической системы (например, распо­лагая достаточной информацией относительно распределения масс и же - сткостей системы, можно рассчитать собственные частоты этой систе­мы). Наибольшее влияние на погрешности обработки оказывают низкие частоты колебаний в технологической системе. При изменении состояния механической системы будет изменяться и процесс накопления энергии (например, если увеличивать температуру технологической системы, то изменяются собственные частоты и форма колебаний).

Вынужденные колебания - это колебания (вибрация) системы, вы­званные и поддерживаемые силовым и кинематическим возбуждением. Для вынужденных колебаний характерно совпадение частоты изменения возбуждающей силы с частотой колебательного процесса.

Если частота возбуждающей силы близка к собственной частоте ме­ханической системы, то следует ожидать интенсивных колебаний, свя­занных с резонансом.

Причинами, порождающими вынужденные колебания, являются неуравновешенность вращающихся деталей, периодические силовые воз­буждения, обусловленные характером рабочего процесса (периодически повторяющими усилиями запрессовки при сборке, обработкой на станке заготовки с прерывистой поверхностью и т. п.), кинематическое возбуж­дение, когда база колеблющегося элемента машины совершает колеба­тельные движения.

Возбуждение может быть в общем случае периодически повторяю­щимся, но не обязательно синусоидальным. Однако периодическая неси­нусоидальная функция может быть представлена в виде суммы синусоид, каждая из которых имеет свою амплитуду и частоту. Отсюда следует, что периодическое возбуждение можно рассматривать как возбуждение от нескольких сил, изменяющихся по синусоиде и действующих одновре­менно.

С приближением частоты вынужденных колебаний к собственной частоте возникает явление резонанса. Для вращающихся неуравновешен­ных деталей существуют критические скорости, при которых частота вращения совпадает с частотой собственных колебаний детали (первая критическая скорость совпадает с первой собственной частотой, вторая критическая скорость совпадает со второй собственной частотой и т. д.).

Автоколебания - это колебания, возникающие в результате само­возбуждения.

Можно выделить следующие основные особенности, характери­зующие автоколебания:

Возмущение не носит характера колебаний, оно имеет вид постоян­ного силового воздействия;

Реальная механическая система, подверженная действию сил трения или иного сопротивления, совершает незатухающие колебания; возникающие колебания не являются гармоническими; необходим постоянный приток энергии.

Стабилизация амплитуды автоколебаний говорит о том, что влияние факторов, порождающих самовозбуждение колебаний, снижается, в итоге исчезает и наступает равновесное состояние, характеризуемое равенст­вом энергии, потребляемой и рассеиваемой системой за один цикл коле­баний.

Динамические характеристики механической системы (собственные частоты, форма колебаний, коэффициент демпфирования) определяют способность системы так регулировать отбор энергии от источника, что­бы в системе возникли автоколебания. Нередко автоколебания сложны и непонятны, трудно поддаются объяснению в результате отсутствия пе­риодического возмущения. Каждое явление автоколебаний связано с тем или иным физическим процессом, природа которого не лежит на поверхности.

Механизм, который превращает эту энергию в энергию колебаний, может быть найден только в результате глубокого изучения физики про­текающего явления, изучения причин неустойчивости системы.

Возникновение в механической системе колебаний нельзя рассмат­ривать без учета взаимодействия ее элементов. Возникшие колебания одной детали в технологической системе будут передаваться на другие, претерпевая определенную трансформацию. В основу описания колеба­тельного процесса в механической системе (на примере станка) была по­ложена аналогия между процессами, протекающими в системах автома­тического регулирования и в станке. Упругую систему, процесс резания и процесс трения рассматривают как элементы замкнутой системы регули­рования. Такое представление позволило сделать большой шаг вперед в изучении и описании колебаний механической системы.

Дальнейшее исследование этого вопроса должно идти по пути изу­чения глубинных причин возникновения колебаний, изучения физиче­ской картины зарождения, передачи и трансформации колебаний от од­ного элемента технологической системы к другому. При этом механиче­ская система должна рассматриваться как совокупность многочисленных элементов со своими массами и жесткостями, обладающими возможно­стью относительных перемещений.

Одним из существенных факторов, порождающих вибрации, являет­ся неустойчивость равновесия деталей, обусловленная неопределенно­стью их базирования в технологической системе. Это объясняется тем, что часто конструктивные решения технологической системы обуслов­ливают возможность деталей изменять свое относительное положение по мере изменения силового поля, образованного многочисленными силами, действующими в технологической системе. Например, по мере измене­ния направления тех или иных сил, действующих в технологической сис­теме, может наблюдаться раскрытие стыков между деталями. Таким об­разом, деталь, до приложения силы лишенная шести степеней свободы, получая одну или несколько степеней свободы, преобразуется в консоль, для которой достаточно малейшего толчка, чтобы возбудить ее колеба­ния. Однако движения этих деталей ограничены, как правило, смежными с ними деталями. Входя в контакт с этими деталями, колеблющаяся де­таль передает им колебания, а последние, вследствие наличия собствен­ных масс, жесткостей и коэффициентов демпфирования, приобретают иной характер. Одновременно смежные детали оказывают влияние на колебания первой детали, ограничивая амплитуду и изменяя частоту ее колебаний.

Изучение сложного процесса взаимодействия элементов технологи­ческой системы позволит глубже проникнуть в первопричины возникно­вения колебаний и на этой основе усовершенствовать расчетные методы.

Изнашивание элементов технологической системы обусловлено в первую очередь силовым и тепловым воздействием. Изнашивание со­провождается постепенным изменением их размеров и формы, что нару­шает размерные связи в технологической системе и порождает погреш­ности относительного положения и движения исполнительных поверхно­стей. Исследование изнашивания деталей является самостоятельной об­ластью знания, поэтому коротко остановимся на разновидностях изнаши­вания и его образования.

К основным видам изнашивания относятся:

- механическое, возникающее в результате механических воздействий;

- молекулярно-механическое, происходящее в результате одновре­менного механического воздействия и молекулярных или атомных сил;

- коррозионно-механическое, обусловленное трением материала, вступившего в химическое воздействие со средой.

В свою очередь механическое изнашивание включает абразивное, гидроабразивное (газоабразивное), эрозионное, усталостное и кавитаци - онное изнашивания; коррозионно-механическое изнашивание включает окислительное изнашивание и изнашивание при фреттинг-коррозии (ко­гда соприкасаются тела при малых колебательных перемещениях).

Величина износа и его скорость зависят от многих причин, таких как род и характер трения, удельное давление, степень нагрева и условий, в которых протекает изнашивание. К последним относятся форма и разме­ры трущихся поверхностей, качество поверхностей, материал, наличие и качество смазывающего материала, присутствие абразива и др.

Различают трение покоя и движения. Трение движения подразделя­ется на трение качения, скольжения и качения с проскальзыванием. По наличию смазочного материала различают трение без смазочного мате­риала и со смазочным материалом. При граничной смазке трение и износ между поверхностями, находящимися в относительном движении, опре­деляются свойствами поверхностей и свойствами смазочного материала, отличными от объемных. В зависимости от конкретных условий при тре­нии возникают механические, химические, теплофизические процессы. Преобладание какого-либо из них определяет вид и скорость изнашивания.

Остаточные напряжения в деталях. Остаточными называют та­кие внутренние напряжения, которые остаются в деталях после снятия нагрузок или воздействия внешних факторов. Внутренние напряжения образуются во всем объеме металла детали или в небольшой его части.

Обычно внутренние напряжения взаимоуравновешиваются и внеш­не ничем не проявляются до тех пор, пока это равновесие не будет нару­шено. Нарушение равновесия приводит к перераспределению внутренних напряжений и, как следствие, к деформации детали.

С нарушением этого равновесия, вызываемого удалением части ма­териала в виде припуска, обработкой без снятия стружки, термическим или химическим воздействием, деталь начинает деформироваться до тех пор, пока перераспределение напряжений не приведет к новому равно­весному состоянию.

Различают: напряжения I рода - макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали; напряжения II рода - микро­напряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или группу зерен металла; напряжения IIIрода - субмикроскопические, связанные с иска­жениями атомной решетки кристалла.

Непосредственной причиной образования остаточных напряжений является неоднородность изменений в смежных макро - и микроскопиче­ских объемах металла.

По причине образования остаточные напряжения делятся на две группы: конструкционные и технологические. Конструкционные вызы­ваются в деталях процессами, происходящими в конструкции; вторые возникают в детали в процессе ее изготовления. Технологические напря­жения возникают в результате неоднородных объемных изменений вследствие причин: неоднородного (неравномерного) нагрева или охла­ждения; фазовых или структурных превращений металла, а также проис­ходящих в нем диффузионных процессов; пластической деформации при наклепе. Одновременное действие двух или трех факторов приводит к весьма сложным эпюрам распределения остаточных напряжений по се­чениям детали; их взаимодействие нередко приводит к образованию столь больших напряжений растяжения в поверхностных слоях детали, что возможно появление трещин и даже разрушение детали.

Например, при получении заготовки литьем наличие неодинаковых по толщине стенок у заготовки приводит к возникновению остаточных напряжений при охлаждении заготовки. По мере остывания меняется состояние металла, переходя из пластического состояния в упругое. По мере остывания заготовки наступает момент, когда металл в толстой стенке еще находится в пластическом состоянии, а в тонкой стенке - уже в упругом состоянии, поэтому и возникают в ней остаточные напряже­ния. В дальнейшем, по мере перехода металла толстой стенки в упругое состояние, эти напряжения усиливаются.

Рассмотрим процесс возникновения остаточных напряжений в от­ливке, имеющей одну тонкую и одну толстую стенки (рис. 1.6.8).

Если бы стенки отливки были разделены и остывали отдельно, то падение их температур и величина усадок соответствовали бы (см. рис. 1.6.8, б): для тонкой стенки /- кривой /, для толстой стенки //- кривой 2. Однако, так как стенки связаны одна с другой, усадка отливки идет по какой-то средней кривой БАВ.

Процесс остывания отливки можно разделить на три этапа. Первый этап протекает от начала остывания до момента времени ть когда мате­риал обеих стенок отливки находится в пластическом состоянии. При этом тонкая стенка будет растянута, толстая сжата. Вследствие этого в отливке произойдут пластические деформации, не порождающие, однако, внутренних напряжений, так как металл находится в пластическом со­стоянии.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЯ

Б г, г2 время

А) 6)

Рис. 1.6.8. Зависимости остывания стенок детали:

А - эскиз детали; б - график изменения усадки отливки по мере изменения температуры

Второй этап составляет промежуток времени от її до т2, в течение которого тонкая стенка достигает температуры порядка 620 °С, при кото­рой металл тонкой стенки перешел в упругое состояние, в то время как металл толстой стенки остается еще в пластическом состоянии. За этот промежуток времени кривая БА действительной усадки отливки стано­вится эквидистантной кривой /. Так как металл толстой стенки находится в шіастическом состоянии, в тонкой стенке (а следовательно и во всей отливке) никаких упругих деформаций не появляется, т. е. не возникает и внутренних напряжений.

Третий этап начинается с момента времени т2, когда металл толстой стенки переходит преимущественно в упругое состояние. Если бы в этот момент обе стенки отливки разделить, то при дальнейшем охлаждении их усадка протекала бы соответственно по кривой АВ\ - эквидистантной кривой / свободной усадки тонкой стенки, и по кривой ABi - эквиди­стантной кривой 2 свободной усадки толстой стенки. При этом каждая из стенок сохранила бы полученную пластическую деформацию и была бы свободна от внутренних напряжений.

Однако так как стенки соединены и отливка представляет собой же­сткую конструкцию, ее усадка будет происходить по средней кривой БАВ. Так как металл в обеих стенках перешел в упругое состояние, в них возникнут упругие деформации, обратные по знаку, но равные по вели­чине пластическим деформациям, так как ВВ\ = АА\ и ВВг = АА2. При этом в тонкой стенке возникают внутренние напряжения сжатия, а в тол­стой - напряжения растяжения. Напряжения возрастают с увеличением модуля упругости материала, поэтому внутренние напряжения в сталь­ных отливках в 2 раза меньше, чем в чугунных.

Наибольшие остаточные напряжения образовываются в деталях сложных конструктивных форм с резкими переходами от местных скоп­лений металла к тонким стенкам и ребрам. Примерами таких деталей мо­гут служить станины, рамы, корпусные детали, лапа долота и др.

В сварных деталях также создаются остаточные напряжения вслед­ствие их неравномерного нагрева и остывания при сварке. Конструкция сварных деталей, как правило, имеет меньшую жесткость, чем литых, поэтому в ней остаточные напряжения больше. Возникают остаточные напряжения и в заготовках, полученных из проката, также вследствие неравномерного остывания, обусловленного различным скоплением ме­талла.

В процессе обработки заготовок, имеющих остаточные напряжения, при снятии с них слоя материала напряжения, а следовательно, и дефор­мации заготовок значительно возрастают. Если при этом учесть, что за­готовка зажата в приспособлении и напряжения не перераспределяются, то деформации после раскрепления заготовки станут еще больше.

В процессе изготовления деталей большой длины и малой жестко­сти часто применяют операцию холодной правки заготовки. При холод­ной правке возникают остаточные деформации в детали, направление которых противоположно направлению деформаций, имеющихся до правки, и равные им по величине. При нагружении балки поперечной силой Р (рис. 1.6.9) на участке АБ возникают упругие деформации, под­чиняющиеся закону Гука, а на участках АГ и БВ - пластические дефор­мации. После снятия нагрузки деталь начинает упруго деформироваться в противоположном направлении под действием упругих напряжений, оставшихся в ее средней части. После наступления равновесия напряже­ний упругие деформации детали прекращаются; в результате на после­дующую обработку деталь поступает в напряженном состоянии и при снятии с нее слоя материала равновесие нарушается и она деформируется.

Остаточные напряжения в поверхностных слоях металла возникают при наклепе деталей после операций волочения, прошивки, развальцовки, калибровки и другой обработки методом холодного давления. Под влия­нием суточных и сезонных температурных колебаний остаточные напря­жения и деформации деталей постепенно перераспределяются. При этом перераспределение остаточных напряжений и деформаций вначале про­текает интенсивно, а затем постепенно замедляется.

Практически установлено, что детали машин после их обработки продолжают деформироваться при работе в машинах за счет продол­жающегося перераспределения остаточных напряжений.

Основы ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ЭБ - это множество связанных между собой элементов технологи­ческих процессов, обрабатывающих и сборочных технологических систем. Связи между элементами возникают из обслуживания изделий тех­нологическими процессами, а последних - технологическими системами. В …

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА И ОПЕРАЦИЙ СБОРКИ ИЗДЕЛИЯ

Разработка технологического маршрута сборки изделия начинается с установления последовательности сборочного процесса. В соответствии с делением изделия на сборочные единицы различают общую сборку из­делия и сборку его сборочных единиц. Разработку последовательности …

Разработка технологической операции

Исходными данными для разработки операции являются изготавли­ваемые на операции МП, МПИ, их МТИ, а также МТБ, заготовительные модули, тип станка, такт выпуска, общее количество изготавливаемых деталей и др. В результате …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.