Кушнер В.С. и др. Технологичесие процессы в машиностроении: проектирование и производство заготовок - файл n1.doc

приобрести
Кушнер В.С. и др. Технологичесие процессы в машиностроении: проектирование и производство заготовок
скачать (9246 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc9246kb.01.06.2012 07:45скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5


Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртладзе,

Д.А. Негров, А.С. Безнин
технологические процессы

в машиностроении:

Проектирование и производство

заготовок

Учебное пособие

по курсовому проектированию

по дисциплине

«Технологические процессы в машиностроении»

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Омск - 2005

УДК 621:621.8.001.63(075)

ББК 34.51я73

Т38

Рецензенты:

Б.А. Калачевский, д-р техн. наук, проф., СИБАДИ

В.И. Клюев, главный конструктор ОАО «Омский завод «Автоматика»
Т38 Технологические процессы в машиностроении: проектирование и производство заготовок: Учеб. пособие / В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртладзе, Д.А. Негров, А.С. Безнин. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. 116 с.

ISBN 5–8149–0249–3
В учебном пособии приведены краткие сведения об основных способах механической обработки металлов резанием и давлением, использующихся при получении заготовок деталей машин.

Рассмотрена методика расчета межоперационных размеров и исходных размеров заготовки, основанная на учете схемы базирования заготовки и погрешностей положения режущего инструмента относительно обрабатываемой детали. Даны рекомендации по проектированию заготовок, получаемых обработкой давлением (штамповок).

На примере получения штампованной заготовки коронной шестерни рассмотрены два альтернативных технологических процесса, оценены области их рационального применения.

Для студентов технических университетов.
Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета
УДК 621:621.8.001.63(075)

ББК 34.51я73
© Авторы, 2005

© Омский государственный

технический университет, 2005

© Московский государственный

технологический университет

ISBN 5–8149–0249–3 «СТАНКИН», 2005
ВВЕДЕНИЕ
Проектирование заготовок деталей машин представляет собой важную научно-техническую задачу. Ее решение оказывает большое влияние на обеспечение требований к качеству и точности, на трудоемкость и себестоимость обрабатываемых деталей, экономию или перерасход конструкционных материалов, затраты энергии, расход дорогостоящих инструментальных материалов и инструментов и др.

При решении этой задачи должны быть учтены особенности не только принятого метода получения заготовки, но и технология последующей обработки детали. В связи с этим в пособии на конкретном примере проектирования заготовки (штамповки) детали «Коронная шестерня» дана методика определения минимальных размеров заготовки и их отклонений с учетом принятой технологии последующей обработки детали.

Методика проектирования заготовки и технологического процесса ее получения предваряется краткими теоретическими сведениями об обработке металлов резанием и давлением.

Рассмотрены методики расчета сил резания и учета их влияния на отклонения режущего инструмента относительно детали и на допускаемые параметры сечения срезаемого слоя и режима резания. Учтено влияние износа инструмента на погрешности обработки и допускаемые температуры режимов резания.

В пособии описаны и приведены программы для расчета на ЭВМ температур и сил резания с учетом взаимосвязи температуры и предела текучести обрабатываемого материала. Эти программы используются для обоснования выбора количества проходов, глубин резания, подач и скоростей резания.

Даны рекомендации по определению предела текучести при горячей обработке давлением. Приведены методики расчета усилий деформирования и выбора необходимого кузнечно-прессового оборудования. Рассмотрены закономерности процесса нагрева заготовок и расчета требуемой энергии и времени на эту операцию.

Проанализировано влияние программы выпуска заготовок на себестоимость различных вариантов технологического процесса получения заготовки.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
1.1. Усадка стружки, относительный сдвиг и деформации в зоне стружкообразования с параллельными границами

Для анализа соотношений между скоростями стружки и детали (инструмента) применяется упрощенная схема зоны деформации с единственной плоскостью сдвига, предложенная русским ученым, профессором И.А.Тиме [1].



а) б)
Рис. 1.1. Соотношения между скоростями стружки и детали

при деформации по схеме И.А. Тиме – единственной плоскости сдвига:

а) – схема зоны стружкообразования; б) – план скоростей

Условие непрерывности (сплошности) несжимаемой деформируемой среды при образовании сливной стружки при плоской деформации выражается в постоянстве скорости в направлении 1–1 (рис. 1.1), перпендикулярном условной плоскости сдвига.

Для выполнения условий непрерывности несжимаемой среды при плоской деформации проекции скорости резания v (а при косоугольном резании – ее нормальной к режущей кромке составляющей в плоскости резания) и скорости стружки v1 на нормаль к условной плоскости сдвига должны быть равны друг другу:

  или  . (1.1)

Из выражения (1.1) следует

. (1.2)

Отношение скорости резания v к скорости стружки v1, согласно терминологии, введенной И.А. Тиме [1], называют усадкой стружки (а иногда – коэффициентом усадки стружки К).

Вследствие постоянства объема и равенства ширины стружки ширине срезаемого слоя усадка стружки может быть определена как отношение толщины стружки а1 к максимальной толщине срезаемого слоя ам [1]:

. (1.3)

По усадке стружки и переднему углу вычисляется угол у наклона условной плоскости сдвига, а также длина контакта СА стружки с передней поверхностью режущего лезвия:

. (1.4)

Длина контакта СА может быть оценена по формуле Н.Г. Абуладзе [1 ]

(1.5)

Условие контакта инструмента со стружкой определяет величину скорости v2 , с которой стружка перемещается вдоль условной плоскости сдвига. Для большей наглядности рассмотрим соотношения между этими скоростями при неподвижной детали (рис. 1.2).


Рис. 1.2. Схема скоростей резца и стружки при строгании
Условие контакта стружки с инструментом требует, чтобы проекции скоростей стружки и резца на нормаль к передней поверхности режущего лезвия были равны друг другу, т.е. [1]

(1.6)

Скорость v2 характеризует перемещение частиц стружки, находящихся на верхней границе зоны стружкообразования относительно нижней в направлении условной плоскости сдвига.

Отношение скорости v2, полученной из условия контакта стружки с резцом, к нормальной относительно условной плоскости сдвига составляющей скорости резания vn = v siny называют относительным сдвигом [ 1]:

(1.7)

Выражение для относительного сдвига в виде (1.7) использовалось еще И.А. Тиме [1]. В литературе используются и другие выражения для относительного сдвига , тождественные выражению (1.7):

(1.8)

Согласно современным представлениям, при образовании непрерывной и сплошной (сливной) стружки зона деформации имеет сложную форму и условно может быть разбита на несколько зон (рис.1.3).



Рис. 1.3. Схема зоны деформации

A – зона стружкообразования с параллельными границами; Б – застойная зона адиабатических деформаций, поперечное сечение «уса»; В и Г– зоны контактных деформаций на передней и задней поверхностях
При резании металлов непрерывное изменение скоростей при переходе деформируемой частицы через зону стружкообразования с параллельными границами может быть достаточно хорошо аппроксимировано функциями вида (1.9) (рис.1.4) [1 ]


а)

в)

б)


Рис. 1.4.  Распределение касательных скоростей в зоне стружкообразования:

а) – схема зоны стружкообразования и скоростей; б) – план скоростей для условной плоскости сдвига; в) – эпюра изменения касательной скорости в зоне с параллельными границами

(1.9)

Здесь H – условная ширина зоны стружкообразовании, n – показатель степени, характеризующий неоднородность распределения касательной скорости vx(y) в зоне стружкообразования и, следовательно, неоднородность сдвига.

С учетом сказанного деформация в зоне стружкообразования может рассматриваться как неоднородный сдвиг.

Формулы Коши [3] для компонента тензора приращений скоростей деформаций имеют вид

, (i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3).                 (1.10)
Для плоской деформации (vz=0) в силу условий (1.9) на основании формул (1.10) получим [1]

. (1.11)
Все остальные компоненты тензора приращений скоростей деформаций равны нулю.

В частности, у конечной границы зоны деформации при приближении к ней со стороны зоны стружкообразования, т.е. при y, стремящемся к H0, скорость деформации может быть оценена с помощью формулы

(1.12)

Для средних условий резания:

 2,5, v = 1 м/с, у=30 о, n = 5, H = (0,2–0,5)a, a=0,2 мм,

, c1. (1.13)

В сравнении со стандартными механическими испытаниями на растяжение, сжатие, при которых скорость деформации приблизительно равна 10-4 – 10-3 с-1, и даже в сравнении со скоростями деформаций при различных методах обработки металлов давлением , с-1 скорости деформации при резании очень велики.

Закон изменения истинных деформаций в зоне стружкообразования может быть получен интегрированием скоростей деформации

    (1.14)

Наибольшего значения истинный сдвиг достигает при y = H, т.е. у конечной границы зоны стружкообразования

(1.15)
1.2. Силы резания
К технологическим силовым характеристикам точения относят: составляющую силы резания PZ, направленную по скорости резания v, проекцию PX силы резания на направление подачи S, перпендикулярную названным направлениям силу PY (рис. 1.5), а также крутящий момент Mкр и мощность резания Ne.

Сила PX нагружает механизм подачи станка и ограничивается прочностью наиболее слабых звеньев этого механизма. Сила PY отжимает резец в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности. Величина этой силы ограничивается требованиями к точности обработки, а также виброустойчивостью процесса резания. Силу PZ,, перпендикулярную основной плоскости, часто называют главной составляющей силы резания.

Это связано с тем, что она, как правило, превышает по величине силы PX и PY и, кроме того, совпадая по направлению со скоростью резания, определяет мощность резания Ne (кВт):

(1.16)


а) б)

Рис. 1.5. Схема технологических осей x, y, z

и технологических составляющих PX, PY, PZ силы резания

при продольном (а) и торцовом (б) точении
Вместе с диаметром D обработки сила PZ определяет также крутящий момент (Н·м):

(1.17)

Величина крутящего момента ограничивается прочностью коробки скоростей станка или допускаемым усилием зажима патрона, в котором закрепляется обрабатываемая деталь. Сила PZ может ограничиваться также допускаемым прогибом или прочностью режущего инструмента. Силы PX, PY, PZ, крутящий момент Mкр, мощность резания N необходимо знать при определении допускаемых режимов резания, а также при проектировании станков, приспособлений и металлорежущих инструментов.

При сверлении, зенкеровании, развертывании в качестве технологических составляющих используются осевая сила и крутящий момент.

При торцовом фрезеровании с вертикальной осью вращения фрезы используют крутящий момент, осевую силу Pw (вертикальную) и две силы в горизонтальной плоскости – силу подачи PH и перпендикулярную ей силу Pv.

Физические составляющие силы резания относят к тем площадкам (или зонам), где они в действительности возникают, т.е. к условной плоскости сдвига, к передней и задней поверхностям режущего инструмента и застойной зоны. Таким образом, при этом раздельно учитываются силы на передней и задней поверхностях инструмента [1] (рис. 1.6).

Раздельно рассматриваются также силы на главной и вспомогательной задних поверхностях [1]. Для повышения точности расчета сил целесообразно раздельно учитывать силы на задних поверхностях застойной зоны и фаски износа.


Рис. 1.6. Физические составляющие силы резания при продольном точении:

а) – силы в основной плоскости; б) – силы в плоскости стружкообразования; в) – силы в плоскости резания;
Методика расчета сил резания в каждом конкретном случае должна учитывать закономерности и специфику рассматриваемого способа обработки. По числу, форме и расположению режущих кромок точение может представлять собой одну из четырех разновидностей лезвийной обработки: свободное прямоугольное, несвободное прямоугольное, свободное косоугольное и несвободное косоугольное резания. Каждая из названных схем имеет свои особенности, которые проявляются главным образом в положении плоскости стружкообразования относительно системы технологических координат x, y, z (рис. 1.7).


Рис. 1.7. Положение плоскости стружкообразования и схема сил

при свободном прямоугольном точении
Наиболее простым является случай свободного прямоугольного резания, когда резание осуществляется одной прямолинейной кромкой, перпендикулярной к скорости резания v .При свободном прямоугольном точении плоскость стружкообразования перпендикулярна режущей кромке, т.е. совпадает с главной секущей плоскостью, и содержит векторы скоростей схода стружки v1 и резания v. Введем систему координат , , , связанную с плоскостью стружкообразования .

Ось  совпадает с проекцией вектора скорости схода стружки на основную плоскость, а ось – с вектором скорости резания. При этом третья ось координат  направлена вдоль режущей кромки резца. Силы на задней поверхности (F1 и N1), определяющиеся в главной секущей плоскости (рис. 1.7, б), и проекции силы стружкообразования (R и R), определяющиеся в плоскости стружкообразования, в данном случае находятся в одной плоскости. Проекция силы резания на ось равна нулю.

При расчете сил будем исходить из того, что в плоскости стружкообразования проекции силы стружкообразования на оси и определяются одинаково для свободного прямоугольного, несвободного прямоугольного, свободного косоугольного и несвободного косоугольного резания:

Расчет технологических составляющих силы стружкообразования и удельных сил резания для условий пластического контакта стружки с инструментом целесообразно основывать на том, что в первую очередь определяются две касательные силы (рис. 1.8):



Рис. 1.8. Схема сил в условной плоскости сдвига и на укороченной

передней поверхности резца со стабилизирующей фаской

(1.18)

(1.19)

Относительная длина контакта для схем резания инструментами со стабилизирующей фаской определяется по ширине фаски и действительному углу схода стружки

(1.20)

При резании инструментом с полной передней поверхностью может быть использована формула Н.Г. Абуладзе

(1.21)

Нормальную к передней поверхности составляющую силы стружкообразования найдем, проектируя на условную плоскость сдвига силы , действующие на стружку со стороны условной плоскости сдвига, и силы F и N, действующие на стружку со стороны передней поверхности

(1.22)

Силы и найдутся как проекции сил F и N на оси и :

(1.23)

где (1.24)

и

(1.25)

где (1.26)

Таким образом, безразмерные удельные силы и зависят от действительного переднего угла , усадки стружки , относительной длины контакта стружки с инструментом и от средних касательных напряжений в зоне стружкообразования и на передней поверхности инструмента.

Отличия в расчетных схемах при определении проекций этих сил на технологические оси заключаются лишь в учете того факта, что в каждом из этих случаев положение плоскости стружкообразования относительно технологических осей различно.

Силы F1 и N1 на задних поверхностях инструмента, или в застойной зоне, для всех схем резания будем определять в плоскостях, перпендикулярных проекциям режущих кромок на основную плоскость.

Выразим силы N1 и F1 через нормальные напряжения qN1 и коэффициент трения 1 на задней поверхности инструмента [1]:

(1.27)

Согласно экспериментальным данным, для резания сталей на ферритной основе твердостью HB<3000 МПа без применения смазочно-охлаждающих жидкостей можно принять

. (1.28)

На задней поверхности застойной зоны, образующейся при наличии на передней поверхности инструмента упрочняющей фаски, удельные касательные силы больше, чем на фаске износа. Они могут быть ориентировочно приняты в следующем соотношении к действительному пределу прочности при растяжении:

(1.29)

С учетом вышеизложенного формулы для определения сил PX, PY, PZ при свободном прямоугольном точении имеют вид:

(1.30)

В третьей из формул (1.30) учтена касательная сила на задней поверхности застойной зоны, высота которой равна H0.

При несвободном прямоугольном резании направление схода стружки определяется с учетом формы и длин режущих кромок, участвующих в резании.

Расчеты могут быть также выполнены вручную – на калькуляторе по формулам, учитывающим особенности несвободного резания:

(1.31)

где

Безразмерные удельные силы и могут быть вычислены непосредственно по формулам:

(1.32)

(1.33)

или по полученным на основании эмпирического обобщения экспериментальных данных [1] формулам

(1.34)

где

(1.35)

Сведения о силе Ру используются для определения отклонений обработанной поверхности (рис. 1.9).

Часть смещения от постоянной минимальной силы может быть компенсирована, если погрешность настройки на размер меньше этого смещения. Принимая погрешность настройки равной половине смещения от минимальной силы Ру, получим суммарное смещение от силы Ру на черновом проходе:

. (1.36)

При критерии износа у вершины резца радиальный (нормальный) износ определяется следующим образом:

(1.37)

Таким образом, после черновой обработки стальных штамповок прочностью Sb=700 МПа с глубиной резания t<6 мм, подачей s<1 мм/об и колебаниями припуска П < 2 мм при критерии затупления в окрестности вершины режущего лезвия h3*< 1 мм, жесткости технологической системы 1040 кН/мм и угле в плане 60 погрешности формы обработанной цилиндрической поверхности могут быть примерно равны 0,350,4 мм (на сторону) или 0,70,8 мм на диаметр.


а) б)
Рис. 1.9. Зависимости силы Ру и радиального биения обработанной

поверхности от подачи при точении стальной заготовки «Коронная

шестерня», НВ=2290 МПа, =10, =8, hз=0,6 мм, hз=0,3 мм
Более точные сведения могут быть получены путем расчетов на ЭВМ в каждом конкретном случае с учетом особенностей обработки.
1.3. Предел текучести в зоне стружкообразования

и температура деформации при резании

Зависимость предела текучести от температуры и деформации (рис. 1.10) может быть представлена в виде
(1.38)

где , T – приращение гомологической температуры, m, k, B – показатели деформационного и скоростного упрочнения и температурного разупрочнения.



Рис. 1.10. Типичная кривая зависимости предела текучести

от истинного сдвига при адиабатических условиях деформации

(1.39)

где AW – безразмерная удельная работа деформации.
  1   2   3   4   5


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации