CC BY
13
предельных деформаций (РЬЭ). Отмечены конечные элементы вдоль образующей деформированной заготовки. На рисунке с диаграммой предельных деформаций (рис. 3, б) отмеченные точки показаны в виде «р«. Для центральной области заготовки отмеченные точки выходят за критическую кривую РЬГЗ. Это предсказывает разрушение, что реально и наблюдалось в эксперименте.
Таким образом, на конкретных примерах показаны возможности КЭ комплекса Ь8-ОУ\А для расчета процессов импульсной, квазистатической и комбинированной листовой штамповки подвижными средами. На основе оценки сходимости волнового решения к статическому предложена методика задания параметров давления для расчета процессов листовой штамповки подвижными средами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bradley, N.M. Implicit Springback Calculation using LS-DYNA [Текст] / N.M. Bradley // Livermore Software Technology Corporation Simulation for the Millennium Southfield.— 5th International LS-DYNA Users Conference.— MI. USA.— September 21—22, 1998.
2. Mamutov, A.V. Finite element modeling off shells wrinkling in impulse drawing of thin sheet metal [Текст] / A.V. Mamutov, V.S. Mamutov, S.A. Matveev // International workshop on New Approaches to High-
Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering.— Proc. of SPIE.— Vol. 5400-38,- P. 240-243,- Bellingham, Wash, 2004.
3. Mamutov, A.V. Finite Element Simulation of Sheet Metal Forming Using LS-DYNA Code [Текст] / A.V. Mamutov, V.S. Mamutov // International workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering // Proc. of SPAS.- 2005. Vol. 9,- P. 7274. St. Petersburg.
УДК 621.757.002-52
ГЛ. Алексеев
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ПРЕЦИЗИОННОГО РЕГУЛЯРНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
Применение большинства средств измерений и определение их метрологических характеристик невозможно без использования изделий, на поверхности которых нанесены различного рода штрихи, отсчетные линии, риски, знаки и т. п., т. е. прецизионный регулярный микрорельеф (ПРМ), как правило, метрологического, оптического или спектроскопического назначения. Термин «прецизионный регулярный микрорельеф» здесь и далее означает, что речь идет о номинальных размерах, характеризующих микрогеометрию поверхности, сравнимых с длиной волны видимого диапазона. Проблема обеспечения и контроля качества образования прецизионного регулярного микрорельефа обусловлена наличием номинальных размеров микронеровностей, находящихся вне пределов разрешающей способности оптических средств измерений, так как ПРМ в определенных случаях
представляет собой поверхностную наноструктуру. Другая особенность заключается в жестких требованиях к точности выполнения геометрических параметров П РМ, обусловленных спецификой назначения соответствующих изделий, и к допустимой наноразмерной погрешности измерений линейных размеров. Так, например, размеры микрорельефа по высоте могут изменяться от 127 до 42,5 нм с увеличением плотности штрихов дифракционных решеток от 1200 до 3600 на один мм, а относительная погрешность должна
__с
находиться в пределах 10 — 10 . Соответственно, абсолютные допустимые отклонения могут выходить за рамки существующих квалитетов ISO, а расстояния между штрихами — за рамки шаговых параметров шероховатости.
К изделиям, на поверхности которых образуется ПРМ, относятся штриховые меры, шкалы, сетки, лимбы, дифракционные решетки,
миры, испытательные тесты, меры шероховатости, различного рода кодирующие меры линейного и углового перемещения и другие подобные им, во многом определяющие точность измерений. Требования, предъявляемые к качеству формообразования ПРМ, к точности его расположения и размерам, к точности выполнения профиля и его постоянству по всей поверхности, к гладкости и зеркальности граней, — весьма жесткие, находящиеся в некоторых случаях на грани технологических возможностей современного оборудования. Эти требования, определяемые спецификой назначения соответствующих изделий, принципиально отличаются от требований к качеству поверхности и к точности выполнения размеров и формы микрогеометрии при других видах механической обработки. Они возрастают с повышением точности измерений и качеством выпускаемых изделий и обусловливают существенные особенности формирования П РМ как особого вида специальной механической обработки.
Для выполнения требований к качеству ПРМ необходимо создать специальные условия его образования, которые следуют из анализа процесса формообразования во взаимосвязи с точностью изготовления алмазного прецизионного инструмента и с учетом влияния статической и кинематической ориентации. Это невозможно без создания методов и средств контроля качества образования ПРМ.
Создание П РМ отличается от других видов прецизионной механической обработки рядом характерных технологических особенностей, среди которых следует отметить:
разделение функций резцового (формообразование штриха) и делительного (позиционирование заготовки) механизмов делительной машины в процессе автоматизированного образования ПРМ;
необходимость обеспечения особых условий для стабилизации инструмента в процессе образования ПРМ при относительно малых технологических нагрузках по сравнению с жесткостью привода и особой чувствительности динамической системы резцового механизма к возмущающим воздействиям;
необходимость тщательного анализа качества используемых слоев и заготовок с целью выбора и обеспечения оптимальных механических, отражающих и других свойств, в значи-
тельной мере определяющих качество образования ПРМ;
необходимость особой износостойкости инструмента, используемого для образования ПРМ, что обусловлено жесткими требованиями к постоянству формы и размеров микрогеометрии с одновременным обеспечением стабильности работы машины в течение длительного времени без вмешательства оператора в автоматическом режиме;
существенную зависимость качества образования ПРМ от точности формы рабочей части инструмента, используемого для нанесения микрогеометрии, и точности ее ориентации относительно заготовки;
специфику обеспечения качества ПРМ, обусловленную тем, что номинальные размеры могут находиться в пределах упругих деформаций элементов оборудования, и ряд других.
Механическое образование ПРМ может осуществляться различными способами: профилированием, вырезанием, совместным их воздействием, удалением покрытий (гравированием), а также выдавливанием.
При профилировании образование штриха осуществляется резцами в виде лодочки, большей частью несмметричной. При этом процессе материал претерпевает сложную пластическую деформацию, выдавливается и сдвигается в направлении, перпендикулярном движению резца.
При гравировании штрихи и знаки образуются удалением слоя металла, лака или грунта со стеклянных заготовок либо металлического покрытия с последующим травлением или без него.
При совместном вырезании и профилировании резец имеет переднюю грань, которая снимает стружку на определенную глубину штриха, а остальная рабочая часть, имеющая форму «лодочки», выдавливает шрих до заданной глубины. В некоторых случаях короткие отдельные штрихи выдавливаются симметричными клиновидными инденторами. Получение отпечатка индентора в процессе определения микротвердости вдавливанием также можно рассматривать как один из видов образования микрорельефа метрологического назначения.
Следует отметить, что для каждого вида образования микрорельефа технология, оборудование и инструмент имеют свою специфику. Так, проблема изготовления дифракционных решеток
заключается в том, что на плоской или сферической стеклянной поверхности, которая обычно покрыта тонким отражающим металлическим слоем, полученным испарением в вакууме, требуется образовать систему большого числа (до 3600 на 1 мм) строго параллельных штрихов ступенчатого профиля. При этом необходимо обеспечить высокую точность расстояния между штрихами (например, для решетки, имеющей 1200 штр./мм расстояние между шрихами равно 0,83 ± Х/40 мкм, где X — средняя длина волны спектрального интервала), оптическую зеркальность рабочей грани профилируемых штрихов, а также постоянство профиля и глубины штриха. Требования к точности расположения и форме микрорельефа других из перечисленных изделий ниже, чем соответствующие требования при изготовлении штрихов дифракционных решеток. Несмотря на это, требования к образованию микрорельефа этих изделий достаточно жестки и обусловлены спецификой их назначения. Так, штрихи испытательных таблиц не должны иметь отклонений по ширине, глубине и длине штриха от номинальных размеров более ±5 %, прозрачность штриха должна составлять не менее 97—99 %, края штрихов должны быть ровными и обеспечивать хорошую контрастность между прозрачными и непрозрачными интервалами, неравномерность краев допускается не более 0,001 мм, отклонения углов таблиц от номинальных значений не должны превышать + 1,0%.
На качество прецизионного микрорельефа влияет большое количество факторов, среди которых в зависимости от назначения ПРМ ранее были выделены три наиболее существенные группы. При формообразовании микрорельефа с различной геометрией выбором параметров этих групп следует обеспечить стабилизацию процесса на основе синтеза координатной, скоростной и инерционной связанностей каклинейного, так и нелинейного характера.
В резцовом устройстве делительной машины имеет место связанность колебаний, обусловленная как его конструктивными особенностями, так и взаимодействием инструмента с заготовкой. Конструктивная связанность включает инерционную, скоростную и координатную. Несмотря на то, что эти связанности не вызывают неустойчивых режимов, они приводят к колебаниям резцедержателя, которые вызваны колебаниями резцовой балки при отклонениях ее
от равновесного положения под воздействием возмущений, идущих от привода и от внешних источников. Поэтому они должны быть по возможности устранены или сведены к минимуму. Полностью устранить конструктивную связанность не представляется возможным, т. к. для этого необходимо, чтобы угол наклона прямой, соединяющей ось подвеса качающейся части суппорта и вершину резца к плоскости заготовки в положении равновесия, был равен нулю. По конструктивным соображениям (ось подвеса находится над заготовкой) это невозможно. Уменьшить конструктивную связанность можно, сводя к минимуму угол жесткость пружин подвеса сф, уменьшая до определенного значения жидкостного трения в демпфере резцедержателя и размещая центр масс на прямой, соединяющей ось подвеса с вершиной резца.
Анализ степени связанности показывает, что как координатная, так и скоростная связанности по конструкции могут быть уменьшены до допустимых значений путем сочетания конструктивных параметров. Вследствие взаимодействия резца с заготовкой возникают координатная и скоростная связанности, обусловленные процессом формообразования. Координатная связанность в данном случае — наиболее сильная, вызванная ею неустойчивость не может быть компенсирована демпфированием и другими видами связанностей.
Следует отметить, что степень связанности по процессу значительно превышает степень связанности по конструкции. Поэтому для стабилизации процессов образования прецизионного регулярного микрорельефа в первую очередь необходимо обеспечить устойчивость динамической системы резцового устройства при наличии координатной связанности. Линейная координатная связанность, определяемая неконсервативными позиционными силами, возникающими вследствие взаимодействия инструмента с заготовкой, характеризуется матрицей коэффициентов сф
Си _
_сф
зк згх .
—-сов^ +—— 8т<70
дс дс
дК дГх .
--СО8<70 +-— 81П<70
дд д<7
+
с12=-
дК
д/;. .
-СО8<70+ —— вш^о
от дс
х/со8д0 +■
' I/
с21 2
_сф
дд
-- 81ГК70 +—-сое
дс дс
сф I 1 •
1+
с22= -¡с, -
'Щ • дРх
-- БШ +-- СОБ
дс дс
Поэтому можно изменять линейную координатную связанность за счет выбора таких параметров, как момент качающейся части суппорта и ее масса, масса резцовой балки, расстояние от оси подвеса качающейся части до оси резца и угол ее наклона к плоскости заготовки в положении равновесия, жесткость пружин подвеса качающейся части суппорта и жесткость соединения резцовой балки с приводом, форма резца и механические свойства заготовки. Динамическая система резцового механизма устойчива по линейной координатной связанности для любого соотношения параметров в том случае, если параметр неконсервативности д положителен . Для этого необходимо выполнение условия
Р'<?о»
где Р' = агй§
д^ дс
д
11
Из этого условия следует, что его целесообразно использовать при выборе параметров, определяющих процесс образования прецизионного микрорельефа профилированием би-цилиндрическими и биконическими резцами, удалением слоя, комбинированными методами (вырезание — профилирование; вырезанием с применением упора), т. е. в тех случаях, когда угол между направлением вектора производной от силы, действующей на резец по глубине штриха, и плоскостью заготовки мал. Уменьшение
Алексеев, Г.А. Динамика нанесения прецизионного микрорельефа [Текст] / Г.А. Алексеев.
I Изд-во ЛГУ, 1986.
этого угла достигается следующими способами: в случае применения бицилиндрических и 6и конических резцов увеличением радиуса кривизны лезвия; в случае удаления слоя — за счет выбора соответствующего коэффициента трения между резцом и подложкой; при комбинированном методе «вырезание — профилирование» — путем увеличения доли общей глубины штриха, образуемой пластическим деформированием; при вырезании в резцовом устройстве делительной машины — за счет изменения соотношения между силами, действующими на резец и на упор в процессе образования прецизионного микрорельефа.
Условие устойчивости невозмущенной системы в случае образования микрорельефа удалением слоя имеет вид
<
где — коэффициент трения между резцом и заготовкой.
В случаях применения пирамидальных резцов при профилировании, а также при образовании микрорельефа вырезанием параметр не-косервативности может быть отрицательным, и для устойчивости по координатной связанности, обусловленной процессом формообразования, необходимо выполнить условие устойчивости, в соответствии с которым существуют верхняя и нижняя границы устойчивости. Существенный момент: конструктивная связанность, определяемая при с0 = 0, мала за счет того, что парциальная частота колебаний резцедержателя значительно больше парциальной частоты колебаний резцовой балки. Поэтому при уменьшении с0 парциальная частота резцедержателя уменьшается и связанность возрастает, что требует соответственного уменьшения жесткости пружин подвеса и коэффициента жидкостного трения в демпфере резцедержателя при одном и том же угле
Инерционная связанность может быть устранена соответствующим расположением центра масс качающейся части суппорта. Координатная связанность, обусловленная конструкцией резцового устройства, не может быть полностью устранена. Она может быть сведена к минимуму за счет уменьшения жесткости подвеса и угла Из зависимости коэффициентов Ьц от параметров системы следует, что демпфирование резцедержателя и демпфирование в направляющих резцовой бал-
к и обусловливают наличие конструктивной скоростной связанности в динамической системе резцового устройства, которая существует при наличии конструктивной координатной связанности. С увеличением как демпфирования резцедержателя, так и демпфирования в направляющих резцовой балки при заданной конструктивной координатной связанности скоростная связанность увеличивается. При заданных демпфированиях резцедержателя и в направляющих резцовой балки с увеличением конструктивной координатной связанности влияние скоростной координатной связанности возрастает.
Производя динамический синтез стационарной скоростной связанности при наличии координатной, следует учитывать три фактора: демпфирование по обобщенным координатам, конструктивную скоростную связанность и скоростную связанность, обусловленную взаимодействием резца с заготовкой. Характер влияния этих факторов определяется характером координатной связанности. Применительно к резцовому механизму делительной машины такими факторами являются: демпфирование резцедержателя Цд, демпфирование в направляющих резцовой балки цч и зависимость коэффициентов Ьц от производных силы, действующей на резец по углу у, определяющему ориентацию резца относительно заготовки и по скорости движения резцовой балки V. Коэффициенты Ьу, характеризующие линейную скоростную связанность и демпфирование, можно представить в виде
hx =М +
дР coson дР . -----sm qn
д' v dv °
hi =М +
дР ûnq() дР ду^ âF
cosg0
/2cos(p-g0 );
cos(p-tfo )-
¿21 =-
-M2
/
дР .
-----sm qn
д' v дУ ° /
/2sin(p-g0 ) -
¿22 = ЦД +
дР
'д~àV
cos
/2cos(p-g0 ).
Зависимости коэффициентов Ъц, позволяют проследить влияние отдельных факторов на колебания резца в процессе образования ПРМ.
Таким образом, качество формообразования прецизионного регулярного микрорельефа в резцовом устройстве динамической машины достигается созданием взаимосвязанных условий, обеспечивающие стабилизацию процесса пластического деформирования материала заготовки; ограничения возмущающих воздействий; постоянство глубины и профиля формирующего микрорельефа на всей заштрихованной поверхности в очень жестких границах, обусловленных спектральными и другими характеристиками изделий. Теоретические и экспериментальные исследования процесса образования П РМ позволяют: выявить основные факторы, влияющие на качество результата; определить их допустимые значения для каждого вида формирования П РМ; разработать методики обеспечения качества ПРМ путем создания специальных условий его образования (к ним относятся: точностные требования к изготовлению и ориентации в процессе эксплуатации бицилиндрических, биконических, пирамидальных и других алмазных монокристальных резцов; усилия, действующие в процессе формирования П РМ; условия и технологические режимы образования ПРМ профилированием, удалением покрытий и другими методами). Делительная машина работает без вмешательства оператора в течение длительного времени (до десяти и более суток при изготовлении сложных изделий) в автоматическом режиме, и возможный брак обнаруживается уже после окончания работы. Поэтому особое значение имеет предварительный контроль параметров, характеризующих процесс образования П РМ, и диагностика стабильности работы механизмов делительной машины. К основным условиям, которые целесообразно предварительно контролировать, относятся в первую очередь следующие требования (см. таблицу):
к виброзащите делительных машин, включая ограничения значения скорости колебания основания делительной машины в вертикальном направлении в направлении подачи делительной каретки Укг, в направлении движения резцовой балки
к параметрам резцовых устройств и условиям образования штрихов, включая ограничения на угол наклона качающейся части суппорта, минимальную глубину штриха, жесткость привода, положение центра масс качающейся части суппорта и коэффициент трения в демпфере резцедержателя;
Требования к параметрам, характеризующим процесс образования ПРМ
Характеристи ка, ед. измерения
Условие—ограничение характеристики
Граничное значение характеристики при плотности, штр/мм
1200
2400
Требования к виброзащите делительных машин
Скорость К^колебаний в направлении оси ОХ, мм/с
Скорость К„колебаний в направлении оси ОУ, мм/с
Скорость Кыколебаний в направлении оси ОХ, мм/с
vKZa<m -
2А CmaJw mXcl
V < JVw С
KY доп - , 2 Доп tZw)l
-
2 ACmnJw mZpl
2,0-10' 3,0-10' 6,0-10'
Параметры резцового устройства и условия образования штрихов Минимальная глубина Сш1пштриха, мкм
Угол наклона качающейся части суппорта, рад
Жесткость Сх привода, Н/м
Отношение координат (Хр Zc) центра масс качающейся части
Демпфирование М резцедержателя, Нс/м
С„ >Cmin
хс
tg<7o > ,
CÄmn<CwMJ~l
Хр
zc
^доп < , 2 "\Т""Ф b
0,0128 0,0175
128 0,0175 0,33
---
0,0180 0,0175
128 0,0175 0,33
Параметры резцов. Погрешности формы и ориентации. Погрешность установки ф, рад
Прогиб проекции лезвия/ мкм
Радиус притупления лезвия, мкм
Высота Я2ттмикронеровностей, мкм
Износостойкость лезвия М", Г (мм-е)
Фдоп
-^JctgßA Сдоп f <m й-'/2Г1/2
J доп < wдоп '"доп-9^™-'«
RZnon ^0АСДОП
М >AVO L-lP-1
1,1 ИЗ ДОП — ^' п^доп^ 1 о
1,6-10" 1,1-КГ
1,0-10'2 0,5-10'2
1,0-10'2 0,5-10'2
1-Ю'3 0,5-10'3
5,25-10'8 1,31-10"
к параметрам инструмента, погрешности формы и ориентации, в их числе ограничения на погрешность установки лезвия резца в направлении профилирования, на искривление проекции лезвия резца в направлении профилирования, на искривление проекции лезвия резца на плоскость заготовки, на радиус притупления лезвия, максимальную высоту микронеровностей граней и износостойкость лезвия;
к механическим свойствам материала заготовок, включая ограничения по диапазонам изменения микротвердости, пластичности, степени упрочнения и степени упругого восстановления.
В таблице обозначены: С0 — глубина штриха; АСдоп — допустимое отклонение глубины штриха, определяемое из допустимых пределов изменения спектральных характеристик дифракционной решетки; /— момент инерции неуравновешенной массы качающейся части суппорта; /, /ц — расстояние от оси резца до оси подвеса и до центра масс качающегося части суппорта; Ст;п — минимальная глубина штриха, превышение которой обеспечивает стабилизацию процесса его образования, определяется по за-
4 ВУ2
висимости Ст;п =-2у-; Утах — максимально7
ное значение скорости резца; Fz — вертикальная составляющая силы, действующей на резец; В — расстояние от оси подвеса до демпфера;
ftsina + ^sinR
в =-!----для бицилинд-
2RxR2 cos acos P(tga + tgP)
рических, B = —--для биконических резцов;
R
Сф — жесткость пружины подвеса качающейся части; М— масса резцовой балки;/— прогиб проекции лезвия резца на жесткость заготовки, определяемый в зависимости от погрешностей изготовления; г — радиус притупления лезвия резца; Rz — максимальная высота микронеровностей на рабочей поверхности резца; d{ — длина отпечатка основного лезвия трехлезвенного индентора; d2 — длина отпечатка соответствующих вспомогательных лезвий; Нупр — микротвердость упрочненного материала; Да — отклонение угла профиля от соответствующего угла резца, обусловленное упругим восстановлением; 0ДОП — допустимый износ, определяемый по спектральным характеристикам решетки; L — суммарная протяженность штрихов решетки; Р — давление на рабочей поверхности резца, действующее в процессе образования штриха; Уп — линейная скорость планшайбы при определении нестойкости лезвия в процессе
его заточки; А — постоянный коэффициент, зависящий от материала заготовки.
При расчете требований к характеристикам процесса образования ПРМ ориентировались на следующие диапазоны механических свойств материала заготовок:
Микротвердость Н, Н/мм2..............................400-2000
Пластичность й1/й1.....................................0,4—0,7
Степень упрочнения НУПР/Н......................1,2—1,5
Упругое восстановление Да/а.....................0,1—0,2
Приведенные в таблице допустимые значения параметров определены для дифракционной решетки 100x100 мм с углами профиля а = 10°; Р =50°;//= 1000 Н/мм ; для бицилиндрических резцов с Я = 2 мм; / = 6,81-Ю-5 кг/м2; М = = 0,875 кг; Сф = 0,01 Нм/рад; Ь = 0,05 м; 1= 0,075 м; Уп = 15м/с; А= 140; да = ±5 %; т = 0,02 кг.
Механическое образование ПРМ характеризуется тем, что как номинальные размеры, так и допустимые отклонения могут находиться в на-нометровом диапазоне, вне разрешающей способности оптических средств измерений, и является особым видом специальной механической обработки. Для обеспечения качества этого процесса необходимо выполнение условий устойчивости по координатной и скоростной свя-занностям и создание минимальной связанности в резцовом устройстве делительной машины.
УДК 620.1 78.1:620.178.3
К.П. Манжула
ВЗАИМОСВЯЗЬ ТВЕРДОСТИ С ПРЕДЕЛОМ ВЫНОСЛИВОСТИ МЕТАЛЛА ИЗ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
СТРОИТЕЛЬНОЙ СТАЛИ
В статье представлены результаты исследования корреляционной связи твердости по Вик-керсу с пределом выносливости металла зоны термического влияния (ЗТВ) сварных соединений из стали 09Г2С и 10ХСНД, а также с пределами выносливости стали 09Г2С и 10ХСНД в состоянии поставки.
Известно, что твердость металла находится в корреляционной связи с такими механическими характеристиками, как предел текучести а0 2
и предел временного сопротивления разрыву ав. В расчетах на сопротивление усталости сварных соединений из низколегированных сталей в конечном итоге требуется знать связь твердости с пределом многоцикловой выносливости а_,. В нашей работе рассматривается корреляционная связь твердости по Виккерсу (НУ) металла участка крупного зерна ЗТВ сварных соединений из стали 09Г2С и 10ХСНД, а также связь твердости по Виккерсу с пределами выносливости
