Технологическое обеспечение и неразрушающий контроль точности обработки нежестких деталей на примере тонкостенного ступенчатого кольца Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.941

А. П. МОРГУНОВ Е. Ю. ЧХЕТИАНИ

Омский государственный технический университет

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ НЕЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ НА ПРИМЕРЕ ТОНКОСТЕННОГО СТУПЕНЧАТОГО КОЛЬЦА_________________________________________________

Данная статья посвящена исследованию вопросов технологического обеспечения точности при обработке тонкостенных колец. В качестве интегральной характеристики принята площадь опорной поверхности. Определение плотности прилегания кольцевой заготовки и элементов приспособления предлагается осуществить методом ультразвуковой дефектоскопии.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, нежесткие детали, ультразвуковой дефектоскоп.

Точность обработки деталей как обеспечение заданных параметров поверхности является критерием, на основе которого определяются наиболее целесообразные методы и средства технологической подготовки и обработки детали.

Разные отрасли машиностроения отличаются требованиями точности изготавливаемых деталей, сборки узлов и т.д. Это зависит от заданных эксплуатационных характеристик изделия, от условий его эксплуатации, от нагрузки, воспринимаемой конкретной деталью в составе изделия. Одни из наиболее жестких требований точности предъявляются к деталям авиационных двигателей.

Требования точности обработки нежестких деталей делают главной задачей технологической подготовки производства минимизацию погрешностей, в том числе тех, которые могут возникнуть при установке заготовки в станочном приспособлении.

Объектом исследования выбрано тонкостенное ступенчатое кольцо большого диаметра, входящее в наружный корпус авиационного двигателя. Особенностью конструкции детали является изменение жесткости от минимального до максимального значения пропорционально изменению толщины ступеней. В связи с этим, возникает необходимость учета величин деформаций каждой ступени. На рис. 1 представлена схема закрепления заготовки в приспособлении.

В результате снятия припуска в процессе обработки уменьшается толщина стенок, соответственно, уменьшается и жесткость каждой ступени. На рис. 2 показана конфигурация исследуемой детали после снятия припуска.

Наличие погрешностей элементов приспособления, наличие допусков на диаметральные размеры элементов приспособления и обрабатываемой заготовки вызывают неплотности контакта базовых поверхностей приспособления и заготовки.

Как показывают исследования, интегральной характеристикой контактного взаимодействия ука-

Рис. 1. Схема закрепления заготовки в приспособлении: 1 — опорный сектор приспособления;

2 — обрабатываемая заготовка;

3 — привод перемещения секторов в радиальном направлении

Рис. 2. Конфигурация детали после снятия припуска:

1, 2 — нежесткие элементы кольца

занных поверхностей является площадь опорной поверхности [1], которая может быть определена по формуле:

Бк=тРп, (1)

где т — коэффициент, учитывающий микро- и макрорельеф контактирующих поверхностей;

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Р — усилие прижатия элементов приспособления и заготовки

Р = Рпр + РУ

п — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства контактирующих поверхностей (в данном случае — микротвердость ).

Площадь опорной поверхности Бк можно измерить одним из косвенных методов. Для этой цели наиболее подходящими являются методы неразрушающего контроля, т.к. они позволят определить точность сопряжения поверхностей заготовки и посадочных элементов приспособления без нарушения технологического процесса изготовления детали.

Известно несколько способов неразрушающего контроля: акустический, капиллярный, рентгеновский, магнитный, радиационный, радиоволновый, тепловой, электрический, электромагнитный, контроль с помощью течеискателей.

В авиамоторостроении все эти методы широко применяются для контроля качества деталей и сборочных единиц. Целесообразность применения того или иного метода контроля в каждом конкретном случае определяется рядом параметров. Это габариты и конфигурация детали (соединения); свойства материала, из которого изготовлена деталь; характер возможных дефектов и т.д.

Общей особенностью всех видов неразрушающего контроля является то, что в процессе контроля измеряются непосредственно физические параметры, например, электропроводность, степень поглощения рентгеновских лучей, характер отражения и поглощения колебаний и др. Изменение значений этих параметров позволяет определить наличие дефекта, что дает возможность принять необходимые меры для исключения преждевременного износа или выхода из строя элементов конструкции в процессе эксплуатации двигателя.

Для обеспечения качества выпускаемой продукции, контроля технического состояния оборудования и продления срока его эксплуатации наиболее широкое распространение, наряду с другими методами неразрушающего контроля, получил ручной ультразвуковой контроль.

Для определения фактической площади опорной поверхности в рассматриваемом случае предлагается использовать именно этот метод. К его достоинствам относятся:

— высокая чувствительность, позволяющая выявлять мелкие дефекты;

— большая проникающая способность, позволяющая обнаруживать внутренние дефекты в крупногабаритных изделиях;

— возможность определения места и размеров дефекта;

— возможность контроля при одностороннем доступе к изделию;

— безопасность работы оператора и окружающего персонала.

Методы ультразвукового контроля делят на две большие группы — активные и пассивные. Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные — только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект. Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот. Методы прохождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по разные или по одну сто-

рону контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект.

Осуществление контроля ультразвуковым методом производится с помощью ультразвуковых дефектоскопов. Ультразвуковые дефектоскопы общего назначения позволяют осуществить:

— неразрушающий контроль продукции на наличие дефектов типа нарушения сплошности и однородности материала в деталях, а также в сварных, паяных, болтовых, клепаных и других соединениях;

— измерение глубины и координат залегания дефектов;

— измерение толщины различных изделий при одностороннем доступе к ним;

— измерение отношений амплитуд сигналов, отраженных от дефектов;

— измерение эквивалентных размеров дефектов;

— оценку скорости распространения ультразвуковых колебаний в различных материалах.

Ультразвуковая дефектоскопия предусматривает использование упругих волн, характеризуемых длиной волны 1, частотой колебаний / и скоростью распространения С. Связь этих величин определяется зависимостью: 1=С/1 [2].

В ультразвуковой дефектоскопии на производстве в настоящее время используются частоты ультразвуковых колебаний в интервале 500 КГц — 20 МГц. Волны в основном применяются в форме высокочастотного импульса. В процессе контроля используются такие свойства ультразвуковых колебаний, как эхо, «звуковая тень», расщепление, преломление волн. Последнее свойство позволяет фокусировать звуковую энергию посредством акустических линз, а также выбрать для использования наиболее эффективный вид волн (поперечные, продольные или поверхностные). Разные волны отличаются скоростями распространения и, следовательно, по-разному отражаются от поверхности дефектов.

В рассматриваемом случае контроль предлагается осуществлять при помощи ультразвукового дефектоскопа с раздельно-совмещенным преобразователем. При настройке чувствительности дефектоскопа для контроля деталей используются контрольные образцы, представляющие собой часть детали с плоскодонным отражателем.

На участке, где будет производиться контроль, требуется контактная смазка. В качестве контактной смазки могут использоваться различные масла (трансформаторное и др.), смазка ЦИАТИМ. Шероховатость поверхности ввода ультразвукового контроля должна быть не ниже 2,5. Контроль шероховатости определяется при помощи образцов качества поверхностей.

Для определения плотности прилегания обрабатываемой заготовки к элементу приспособления искательную головку дефектоскопа устанавливают со стороны обрабатываемой поверхности детали, как показано на рис. 3.

Одним из источников появления погрешностей при обработке нежестких заготовок — тел вращения являются отклонения формы исходной заготовки, которые в результате технологического наследования проявляются на обрабатываемой поверхности практически до последней операции из-за недостаточной жесткости технологической системы. В качестве критерия оценки точности формы нежесткого кольца на этапе реализации технологической

Рис. 3. Неразрушающий контроль плотности контакта: 1 — контролируемое соединение детали и элементов приспособления;

2 — раздельно-совмещенный преобразователь;

3 — ультразвуковой дефектоскоп

Рис. 5. Схема контактного взаимодействия тонкостенного кольца с учетом неплотности контакта

Окружные напряжения ст01 следующим образом:

и а02 определяют

е1Е1 = -

Е1Дф 11 2Ді (1 +12)

(6)

Е2Дф К2

2Я2 (І1 + 1 2)

(7)

Рис. 4. Варианты контактного взаимодействия поверхностей детали и приспособления: а — полное прилегание поверхностей при К =1, 5 =5 ;

1 11 зп оп к

б — неполное прилегание поверхностей при К <1, 5 <5

г ГГ зп ’ оп к

(1 — контурная поверхность, 2 — опорная поверхность)

где е1, е2 — относительная деформация кольца и элемента приспособления соответственно; г.=ДЯ. / (ДЯ; — изменение радиуса кольца).

Наибольшая допустимая величина погрешности формы Дф из условия допустимого утонения кольца:

Дф = 2с ■

т'шах і

Иі К1 + К2 Еі І1

(8)

операции можно принять коэффициент заполнения профиля Кзп в сопряжении внутренней поверхности кольца и наружной поверхности элемента приспособления. Рассмотрим два варианта: первый — когда площадь опорной поверхности Боп равна площади контурной поверхности Бк, второй — при неполном прилегании поверхностей, когда Боп<Бк (рис. 4).

Отклонение формы Дф кольца эквидистантно его наружной поверхности. Поэтому при воздействии силы резания Р' в процессе обработки отклонение Дф будет уменьшаться на величину упругой деформации кольца Ду. Известно, что сила резания Ру возрастает пропорционально снимаемому припуску.

Известно, что деформации наружной поверхности могут изменяться от нуля до некоторого максимального значения. При этом (рис. 5) изменение радиусов колец определяется следующим образом:

ДИ1 = и1 = -

Дф

К

Дф

ДИ2 = и 2 =--^

К 2

(2)

(3)

1. +12

ч 1 2 ,

где и,, и2 — радиальное перемещение колец, равное соответственно и —д12 (q — контактное давле-

ние, 1, и 12 — коэффициенты радиальной податливости); Дф — отклонение формы.

В свою очередь:

К1 =

И12

(4)

(5)

где — наименьшее значение (из двух) предела текучести материала.

В рассматриваемом случае точность выполняемого размера должна обеспечиваться при условии 1,<12.

Выводы:

1. Наследование отклонений формы исходной заготовки реализуется на обрабатываемой поверхности детали и приводит к снижению жесткости рассматриваемого элемента технологической системы.

2. Результаты предварительных теоретических и экспериментальных исследований подтвердили возможность минимизации погрешностей обработки методом предложенной технологической наладки.

3. В качестве эффективного метода неразрушающего контроля целесообразно применять ультразвуковой контроль.

Библиографический список

1. Моргунов, А. П. Технологическое обеспечение прочности профильных неподвижных соединений : монография / А. П. Моргунов, В. Б. Масягин, И. В. Ревина. — М .: Технология машиностроения, 2004. — 300 с.

2. Рети, П. Неразрушающие методы контроля металлов / П. Рети ; сокр. пер. с венг. — М. : Машиностроение, 1972. — 208 с.

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

ЧХЕТИАНИ Екатерина Юлоновна, аспирантка кафедры «Основы теории механики и автоматического управления».

Адрес для переписки: ека1егта-сккИе1:1аш@уап-dex.ru.

где Е1 и Е2 — модули упругости тонкостенного кольца и элемента приспособления.

Статья поступила в редакцию 16.12.2011 г. © А. П. Моргунов, Е. Ю. Чхетиани

с

с

2

Е1п1

■

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ