Rybinsk, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
GRNTI 55.35 Металлургическое машиностроение
The necessity and purposefulness in the use of parallel engineering design development and manufacturing technology of products in the course of technological pre-production. There are shown directions for parallel engineering development. The calculated dependences for forecasting the operation properties of aircraft engine parts are presented which are necessary at the joint work of a designer and technologist in the course of parallel design-technological pre-production.
technological pre-production, simultaneous engineering preparation, operation properties of parts, surface layer, machining accuracy
Введение
В настоящее время для успешной организации параллельной инженерной работы конструктора и технолога имеются как организационные, так и технические, в том числе технологические, препятствия. Только интегрированное использование организационных методов параллельной инженерной разработки в совокупности с использованием технологических методов обеспечения эксплуатационных свойств деталей изделий должно существенно повысить уровень технологичности вновь проектируемых изделий машиностроения и объединить процессы разработки конструкторской и технологической документации в единый взаимонеобходимый и взаимодостаточный процесс.
Параллельная инженерная разработка имеет ряд конкурентных преимуществ по сравнению с последовательной:
‒ позволяет выполнять проектирование на заданную себестоимость изготовления изделия;
‒ сокращает время выхода продукции на рынок;
‒ обеспечивает улучшение качества выпускаемой продукции;
‒ уменьшает затраты на разработку документации и технологическую подготовку производства.
Опыт параллельно-последовательной работы применяется на многих зарубежных фирмах. Например, в авиадвигателестроении данный подход применяется на фирме Snecma (Франция) и др.
В России опыт параллельной инженерной разработки в настоящее время на промышленных предприятиях практически не применяется. Кроме организационного подхода требуется понимание и алгоритмизация технического процесса конструирования посредством выбора технологических процессов обработки деталей. Именно поэтому требуется разработка теоретических положений по этому направлению работы. Остановимся подробнее на технологических препятствиях и возможностях.
Современные правила разработки конструкторской документации подразделяются на следующие стадии:
‒ разработка проектной конструкторской документации;
‒ разработка рабочей конструкторской документации.
В основе технологической подготовки производства заложена модель последовательного выполнения этапов освоения изготовления по выпускаемой конструкторской документации: сначала проектной, затем серийной. Таким образом, в настоящее время реализуется последовательный процесс инженерной разработки, при котором вначале разрабатывается проектная конструкторская документация, затем производится подготовка производства к выпуску опытных образцов изделия. Опытные образцы испытываются, и принимается решение по выпуску серийной конструкторской документации, после выпуска которой проводится технологическая подготовка производства. Все требования к разработке конструкторской и технологической документации определяются соответствующими стандартами.
К сожалению это очень длительный цикл производства продукции. В связи с этим в настоящее время за рубежом достаточно широко используется параллельная инженерная разработка, которую следует рассматривать как организационно-технический подход, обеспечивающий интегрированное и, в значительной степени, одновременное проектирование как самих изделий, так и процессов их производства. Основоположником данного метода является советский конструктор В.Г. Грабин. Применение этого метода позволило в сжатые сроки в период Великой Отечественной войны наладить выпуск артиллерийских систем. Основа этого подхода заключается в командной работе служб предприятия на всех этапах разработки изделия, начиная с формирования концепции его разработки.
Технологические направления параллельной инженерной работы следующие.
– Анализ технологичности изделия и его деталей сборочных единиц с позиции изготовления и существующего на конкретном предприятии оборудования.
– Расчетное определение технологических условий обработки (режимов резания в сочетании с геометрией инструмента) с обеспечением заданной точности обработки и качества поверхностного слоя обработанной детали.
– Расчетное прогнозирование эксплуатационных свойств детали при назначенных методе обработки и технологических условиях обработки:
а) усталостной прочности материала детали;
б) износостойкости обработанной поверхности;
в) контактной жесткости контактируемых поверхностей;
г) прочности прессовых соединений и др.
– Технологическое обеспечение заданной точности изделия по массе (что характерно для авиации, космоса, судостроения и других отраслей машиностроения).
Содержание исследования
Для многих деталей современных машин, в том числе авиационных двигателей, нередко требуется обеспечение именно заданной величины и глубины залегания остаточных напряжений, глубины и степени наклёпа поверхностного слоя, требуемой шероховатости поверхности, так как бесспорным фактом является то, что в ряде случаев чрезмерное уменьшение шероховатости или увеличение степени и глубины наклепа поверхности может оказаться вредным и снижать срок работы изделия. Тем не менее, до настоящего времени недостаточно представлены обобщенные теоретические зависимости между параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки, эксплуатационными свойствами деталей машин и параметрами процесса механической обработки.
Актуальность решения задачи по определению технологических условий обработки обусловлена необходимостью достижения стабильности или изменяемости по желаемым законам характеристик качества поверхностного слоя, когда отдельные поверхности ответственных деталей работают в различных температурно-силовых условиях (например, диски, лопатки ГТД и др.) В этом случае требуется определить взаимосвязь технологических условий обработки с параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки, свойствами обрабатываемого и инструментального материалов, жёсткостью технологической системы СПИЗ, размерами детали, что в функциональном виде может быть представлено следующим образом:
,(1)
где sB и EД – предел прочности на разрыв и модуль упругости обрабатываемого материала, МПа; βД и βр – коэффициент температурного линейного расширения обрабатываемого и инструментального материалов, 1/°С; tр – сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу, МПа; µ – коэффициент Пуассона обрабатываемого материала; lр, lД, lст – коэффициент теплопроводности инструментального, обрабатываемого материала и материала стержня режущего инструмента, соответственно, Дж/(м×сек °С); a и g – задний и передний углы режущей части инструмента, (радиан); j и j1 – главный и вспомогательный углы режущего инструмента в плане, (радиан); r и r1 – радиус при вершине режущего инструмента в плане и радиус округления режущей кромки, мм; jсист – жёсткость технологической системы СПИЗ, Н/м; L и H – длина и высота детали, мм; В1 и Н1 – высота и ширина сечения державки режущего инструмента, мм; v – скорость резания, м/с; sT – предел текучести обрабатываемого материала, МПа; hн – глубина наклёпа материала поверхностного слоя детали, мкм; Rz – высота неровностей профиля обрабатываемой поверхности, мкм; t и S – глубина резания и подача, мм; DS ‒ суммарная погрешность обработки, мкм; sост – величина остаточных напряжений на заданном уровне от поверхности, МПа; а – температуропроводность обрабатываемого материала, м2/с; (сr)Д и (сr)и – удельная объёмная теплоёмкость обрабатываемого и инструментального материалов, Дж/(м3×К); Tр – стойкость режущего инструмента, мин; g и a – передний и задний углы режущей части инструмента, градус; qпл – температура плавления материала обрабатываемой детали, °С.
Для реализации функциональной зависимости (1) необходимо иметь расчётные формулы для определения параметров качества поверхностного слоя (остаточных напряжений в поверхностном слое, степени и глубины наклёпа и параметров шероховатости поверхности, погрешности обработки). Такие зависимости приведены в работах [1, 2 и др.]. При их использовании может решаться задача по определению технологических условий обработки, обеспечивающих заданные значения остаточных напряжений, глубины и степени наклёпа, шероховатости поверхности и точности обработки, а также могут быть рассчитаны показатели, характеризующие качество поверхностного слоя обработанной детали, такие как шероховатость поверхности, глубина и степень наклепа материала поверхностного слоя, распределение остаточных напряжений, показатели, характеризующие погрешность обработки, возникающей при резании и вызванной влиянием силовых и температурных деформаций системы СПИЗ, размерным износом режущего инструмента.
Для реализации данной методики разработана система расчета параметров процесса резания, алгоритм функционирования которой представлен на блок-схеме (рис. 1) [3].
Параметры качества поверхностного слоя детали представляют практический интерес с точки зрения обеспечения эксплуатационных свойств изделий: усталостной прочности, износостойкости, контактной жесткости, прочности прессовых соединений и др.
В качестве характеристики сопротивления усталости материала детали может быть использован критерий поврежденности материала, который определяется по изменению модуля упругости Eобр/Eисх, где Eобр и Еисх – модули упругости материала поверхностного слоя детали после обработки и в исходном состоянии.
Исследованиями автора совместно с кандидатами технических наук Драпкиным Б.М., Тимофеевым М.В., Осадчим Н.В., Любимовым Р.В., Водолагиным А.Л. получена зависимость [4]:
(2)
где Б, Г, Д, Е – безразмерные комплексы процесса резания [5]; С и K – величины, зависящие от свойств обрабатываемого материала (значения их приведены в работе [2]); s–1 и s-1исх – предел выносливости материала детали после обработки и в исходном состоянии (до обработки); Б = va1/a – безразмерный комплекс процесса резания, характеризующий степень влияния режимных условий процесса резания по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материалов, где а1 – толщина сечения среза;
– безразмерный комплекс процесса резания, отражающий влияние геометрии инструмента и отношения теплопроводностей инструментального и обрабатываемого материалов; b и e – угол заострения и угол при вершине резца в плане, радиан; Д = a1/b1 – безразмерный комплекс, характеризующий геометрию сечения среза; b1 – ширина сечения среза, м; E = r/a1 – безразмерный комплекс, характеризующий влияние на процесс резания геометрической формы режущей кромки резца.
Зависимость предела выносливости мате-риала детали от комплекса параметров качества поверхностного слоя может быть определена по формулам [2]:
– при точении
,
– при фрезеровании
,
где m, n, K, L – величины, зависящие от вида обработки. При точении m = 420 и K = 0,73; при фрезеровании n = 224 и L = 0,83;
В/ВЭ – отношение предела прочности обра-батываемого материала к пределу прочности электротехнической стали.
При обработке точением с оптимальной скоростью резания о, соответствующей ми-нимуму износа режущего инструмента и ми-нимальной высоте неровностей на обработан-ной поверхности, интенсивность изнашивания обработанной поверхности Jh определяется по следующей зависимости [2]:
(3)
где b3 – длина контакта режущих кромок ин-струмента с обрабатываемым материалом, м; С0 – величина, зависящая от предела прочно-сти обрабатываемого материала; т – величина, зависящая от соотношения подачи, глуби-ны резания и радиуса при вершине резца в плане; v и b – параметры кривой аппроксима-ции опорной поверхности; 2 – величина, зависящая от вида контакта поверхностей; 0 – действующее напряжение, Па; k – коэффици-ент, характеризующий напряженное состоя-ние на контакте; fм – молекулярная состав-ляющая коэффициента трения; N – сила, сжи-мающая контактируемые тела, Н; Ас – номи-нальная площадь соприкасающихся тел, мм2; ty – параметр кривой функциональной устало-сти; о – оптимальная температура резания.
Таким образом, интенсивность изнашива-ния поверхности является функцией условий ее обработки, а также свойств материала детали.
Контактная жесткость соединения характеризуется величиной сближения поверхностей y под действием силы, действующей перпен-дикулярно к контактируемым поверхностям:
y = yупр + yпл,
где yупр – величина упругой деформации мик-ронеровностей; yпл – величина пластической деформации микронеровностей на поверхности.
Численные значения составляющих сум-марной величины сближения контактируемых поверхностей могут быть определены по сле-дующим зависимостям, полученных автором с использованием результатов исследования д.т.н., проф. Суслова А.Г. [1].
(4)
где Sф – значение подачи, являющееся функцией толщины сечения среза [2].
(5)
при и .
В формулах (4) и (5) приняты следующие обозначения:
где r1, r2 – приведенный радиус закругления вершины единичной микронеровности; rпр1, rпр2 – радиус закругления вершины единичной микронеровности в продольном направлении; rnon1, rnon2 – радиус закругления вершины единичной микронеровности в поперечном на-правлении; N1, N2 – количество вершин микронеровностей находящихся в контакте; v – параметр кривой опорной поверхности шероховатости; Rz1, Rz2, – высота неровностей профиля контактирующих поверхностей в поперечном направлении; m – показатель степени, определяемый как сумма параметров кривых опорных поверхностей; k5 – коэффициент, полученный в результате численного решения исходного интегрального уравнения для отыскания фактической площади контакта; k3 – коэффициент, учитывающий изменение величины сближения контактирующих поверхностей при деформации микронеровностей за счет осадки основания; К – коэффициент, за-висящий от обрабатываемого материала; k(е) – эллиптический интеграл первого рода; cT – напряжение, приводящее в пластическое состояние выступ, где с – коэффициент; tm – относительная длина опорной поверхности на уровне средней линии; Sm – средний шаг неровностей профиля; nnon – порядок параболоида, моделирующего выступ микронеровностей профиля в поперечном направлении (положительное рациональное число); – длина фаски износа по задней поверхности инструмента; – максимальная температура в любом слое обрабатываемой поверхности; В – безразмерный комплекс, характеризующий угол схода стружки [2]; а2, b2, х – коэффициенты, зависящие от сочетания свойств обрабатываемого и инструментального материалов; – угол пересечения следов обработки на контактируемых поверхностях.
Одним из видов соединений деталей в узлах являются соединения с натягом, которые могут выдержать в процессе эксплуатации изделия значительные нагрузки. Такие соединения имеют широкое применение в различных узлах и механизмах. Обеспечение требуемых прочностных характеристик соединений с натягом зависит не только от выбора посадки в соединении, физико-механических свойств материалов деталей, их геометрических размеров, вида сборки, но и от качества поверхностного слоя сопрягаемых поверхностей деталей, в частности от шероховатости поверхности, степени и глубины наклепа поверхностного слоя. Последние зависят от технологических условий их обработки: режима резания, геометрии режущего инструмента и др. Основными критериями, характеризующими прочность посадки, являются осевая сила Ро и момент Мкр, выдерживаемые соединениями, которые определяются по формулам [6]:
где d – номинальный диаметр соединения, мм; l – длина контакта сопрягаемых поверхностей, мм; fос и fкр – коэффициенты трения при осевом сдвиге и при кручении; C1 и C2 – безразмерные коэффициенты, зависящие от размеров и свойств материалов сопрягаемых деталей и определяемые по следующим формулам [7]:
; ,
где dо – диаметр отверстия пустотелого вала, мм (при сплошном вале dо = 0 и C1 = 1-); 1, 2 – коэффициенты Пуассона материалов сопрягаемых деталей; D – диаметр наружной поверхности втулки, мм; н – номинальный натяг, выбираемый из таблицы для конкретно-го соединения или задаваемый на чертеже изделия (определяется из условий заданной посадки сопряжения), мм; Rz1 и Rz2 – высота неровностей сопрягаемых поверхностей, мм; W1 и W2 – значения накопленной энергии в поверхностном слое материала первой и второй сопрягаемых деталей; – степень
наклепа обработанной поверхности,
где – параметр междислокационного взаимодействия в материале детали, значение приведены в работе [8]; W – удельная накопленная энергия деформации, Дж/мм3; G – модуль сдвига материала детали, МПа; 0,2 – условный предел текучести материала детали, МПа. Значение модуля сдвига материала определяют по известной зависимости
, где EД – модуль упругости материала детали, МПа; N1 и N2, 1 и 2, и
– значения степени наклепа, параметра междислакационного воздействия и условного предела текучести материалов первой и второй сопрягаемых деталей.
Формула для расчета накопленной энергии деформации при токарной обработке в поверхностном слое материала, в зависимости от параметров процесса резания, имеет следующий вид [2]:
, Дж/м3,
где – относительное удлинение материала обрабатываемой детали; в – предел прочности материала обрабатываемой детали на разрыв, Па.
Распределение накопленной энергии деформации по глубине поверхностного слоя можно определить по выражению, полученному М.А. Прокофьевым [4]:
,
где Wh – накопленная энергия деформации на глубине поверхностного слоя h, Дж/м3;
W – удельная накопленная энергия деформации на поверхности, Дж/м3; k – коэффициент, характеризующий эффективность изменения скрытой энергии деформации по глубине по-верхностного слоя.
Заключение
Предложенные в данном исследовании расчетные зависимости позволяют на стадии конструкторско-технологической подготовки производства определять выбор методов обработки и технологические условия их выполнения с целью прогнозирования эксплуатационных свойств деталей машин.
1. Parts Surface Engineering / Author group; under the editorship of A.G. Suslov. – M.: Mechanical Engineering. 2008. – pp. 380.
2. Beziyazychny, V.F. Similarity Method in Engineering Technique. – M.: Mechanical Engineering, 2012. – pp. 320.
3. Beziyazychny, V.F., Kiselyov, E.V. Calculation automation of machining technological conditions to ensure complex of specified parameters of accuracy and quality of surface layer and parts operation properties / Reference Book. Engineering Journal. Appendix. – 2008. – No.8. – pp. 13-23.
4. Drapkin, B.M. Kononenko, V.K., Beziyazychny, V.F. Properties of Alloys in Extreme Condition. – M.: Mechanical Engineering, 2004. – pp. 256.
5. Silin, S.S. Similarity Method at Material Cutting. – M.: Mechanical Engineering, 1979. – pp. 152.
6. Beziyazychny, V.F., Fedulov, V.M., Chuguevskaya, S.V. To the problem of computation definition of stressstrain properties in assembly units with interference taking into account surface roughness in assembled parts and degree of their cold work hardening // Assemblage in Mechanical Engineering. – 2015. – No.4. – pp. 21-26.
7. Assembly and Installation of Engineering Products: Reference Book. In 2 Vol. / Editorial Board: V.S. Korsakov (Chairman) et al. / under the editorship of V.S. Korsakov, V.K. Zamyatin. – M.: Mechanical Engineering, 1983. – pp. 480.
8. Beziyazychny, V.F. Estimated forecasting of impact of machining process requirements upon machinery operation properties // Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. – 2018. – No.3 (81). – pp. 14-21.
