ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СУДОВОЙ АРМАТУРЕ

TECHNOLOGICAL SUPPORT FOR THE MANUFACTURE OF PRECISION SPHERICAL SURFACES OF PARTS USED IN SHIP FITTINGS

Andrei Vazhenin

postgraduate student Department of Mechanical engineering, Saint-Petersburg Mining University,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена актуальной проблеме обработки прецизион­ных поверхностей деталей из труднообрабатываемых материалов. Рассмотрены основные способы и используемая оснастка для изготовления сферических поверхностей. Предложены рекомендации по механической обработке сферических поверхностей деталей судовой арматуры, применение которых в производстве позволит стабилизи­ровать динамические параметры системы, снизить амплитуду автоколе­баний режущего инструмента, что как следствие, повысит его стойкость и качество обрабатываемой поверхности.

ABSTRACT

The article is devoted to the actual problem of machining precision surfaces of parts from hard-to-work materials. The main methods and used equipment for manufacturing spherical surfaces are considered. Recommendations are offered for the mechanical treatment of spherical surfaces of ship's fittings, the use of which in production will allow to stabilize the dynamic parameters of the system, to reduce the amplitude of auto-oscillations of the cutting tool, which, as a consequence, will increase its durability and the quality of the treated surface.

Ключевые слова: колебательный процесс; титан; точность изго­товления; сферическая поверхность.

Keywords: oscillatory process; titanium; precision of manufacturing; spherical surface.

Возможность возникновения протечек в современной шаровой судовой арматуре напрямую зависит от обеспечения качественных и точностных параметров изготовления рабочей сферической поверхности детали «Шар запорный» (Рис. 1), качество изготовления которой оказы­вает существенное влияние на ресурс изделия в целом. В этой связи к сферической поверхности предъявляются повышенные требования в части уровня шероховатости (R_a 0,2 мкм) и точности поверхностного слоя (отклонение от круглости 0,05 мкм).

Рисунок 1. Деталь «Шар запорный»

Кроме того, режимы работы судовой арматуры обусловлены сложными эксплуатационными условиями (работа в агрессивных средах с перепадами от предельно высоких до предельно низких температур). Поэтому в арматуре для морского применения широкое распространение получают различные титановые сплавы, для которых характерны высокая коррозионная стойкость и возможность обеспечения эффективности, надежности и безопасности выполнения работы.

При этом, изготовление детали «Шар запорный» из титанового сплава представляет собой сложную как техническую, так и научную задачу ввиду таких причин, как высокая прочность и вязкость титана, низкая теплопроводность, что вызывает высокие температуры в зоне резания и обеспечивает возникновение повышенных усилий на режущий инструмент, при этом в технологической системе механической обработки (ТСМО) возникают вибрации (автоколебания), оказывающие значительное влияние на устойчивость технологической системы и качество формируемой поверхности. Для обработки сферических поверх­ностей характерны изменение векторов составляющих сил резания, главного  и вспомогательного  углов в плане. Кроме того, наличие сквозного отверстия большого диаметра на шаровой поверхности (выполняется еще на стадии изготовления поковки с целью экономии материала) детали придает процессу резания дискретный характер, при котором резание чередуется с холостым ходом, что вводит в систему также вынужденные колебания, увеличивает износ инструмента и оказывает негативное влияние на качество поверхностного слоя.

Наибольшее распространение в производстве на данный момент получили следующие способы изготовления сферических поверхностей [5]:

1.  Механическая обработка фасонными резцами методом врезания, при котором точение осуществляют специальным режущим инстру­ментом, у которого форма кромки похожа на профиль изготавливаемой поверхности. Данный способ позволяет добиться высокой производи­тельности и хорошего качества обработанной поверхности.
2. Механическая обработка резцом методом совмещения продоль­ной и поперечной подач, заключающаяся в том, что резцу по управ­ляющей программе сообщается продольное и поперечное перемещения. При этом ключевую роль в обеспечении качества поверхности играет дискретность рабочих органов станочной системы. Есть еще одна разновидность данного метода, применяемая в серийном производстве на копировальных и универсальных станках.
3. Механическая обработка резцом при помощи поворотных приспособлений, при которой резцу придается вращательное движение в горизонтальной плоскости специальным поворотным приспособлением, которое обычно крепится в резцедержателе или вместо него. Данный способ характеризуется высокой точностью обработки.
4. Механическая обработка специальным кольцеобразным инстру­ментом методом двух вращений, при которой сферическая поверхность формируется при взаимном вращательном движении инструмента и детали. При этом требуется специальное устройство, сообщающее вращательное движение инструменту.

Кроме того, изготовление сферических поверхностей возможно фрезерованием и пластическим деформированием. При этом способе инструмент оказывает на вращающуюся относительно ее продольной оси заготовку деформирующее воздействие посредством обкатки вра­щающимии одновременно в плоскости, проходящей через продольную ось пальца перпендикулярно плоскости вращающихся инструментов [3].

Все виды приспособлений для изготовления сферических поверх­ностей на металлорежущих станках можно разделить на две группы: приспособления с поступательным движением инструмента и при­способления с вращательным движением инструмента. Первая группа характеризуется меньшей универсальностью, постоянным изменением углов в плане и искажением геометрии сферической поверхности вследствие износа режущих кромок инструмента. Вторая группа приспособлений обеспечивает меньший износ резца при сохранении углов в плане и отсутствии искажения формы поверхности при обработке.

Рисунок 2. Схема резания и сил резания при точении детали «Шар запорный» при помощи поворотных приспособлений (приспособления на рисунке не обозначены)

Примечание: x, y, z – направление координат на станке: Px – осевая сила резания; Py – радиальная сила резания; Pz – тангенциальная сила резания; R, Rxz, Ryz – равнодействующие силы резания под углами fr, fxz, fyz.

Выше упоминалось о влиянии вибраций ТСМО на качество изготавливаемых деталей. В процессе механической обработки на элементы ТС действуют переменные по величине силы резания, внешние толчки и сотрясения от работающего технологического оборудования, силы от неуравновешенности вращающихся деталей станка, приспособления, заготовок, инструмента, что вызывает коле­бания элементов ТС с определенной частотой и амплитудой и порождает погрешности геометрической формы, волнистости и ухудшение пара­метра шероховатости обрабатываемой поверхности (Рис. 2). В этой связи динамическая устойчивость ТСМО за счет снижения уровня колебаний представляется одним из ключевых аспектов в вопросах повышения производительности и обеспечения качества изготовления прецизионных деталей машиностроения.

Руководствуясь работой [4] по совершенствованию технологии обработки труднообрабатываемых материалов, можно прийти к выводу, что одним из наиболее эффективных способов изготовления прецизионных сферических поверхностей деталей судовой арматуры является использование инструментального оснащения, основанного на анизотропных свойствах державки токарного инструмента, обладаю­щего ориентированными по направлению сил резания диссипативными свойствами, обеспечивающими эффект динамического гашения вибраций инструментальной системы.

Уровень автоколебаний ТСМО существенно влияет на стойкость инструмента и производительность обработки. При этом, для каждого конкретного технологического процесса существует определенная оптимальная (по критерию стойкости) амплитуда колебаний, при которой имеет место наибольшая стойкость инструмента. Для обработки тита­новых сплавов по критерию стойкости зона оптимальных амплитуд автоколебаний находится в диапазоне 8 – 18 мкм [1].

Опытным путем установлено, что на стойкость инструмента большее влияние оказывает амплитуда автоколебаний, при этом частота автоколебаний каждой конкретной ТС изменяется в узком диапазоне и не оказывает сильного влияния на стойкость инструмента. Амплитуда автоколебаний также оказывает существенное влияние и на шероховатость поверхности. Увеличение амплитуды колебаний всегда приводит к повышению высотных параметров профиля детали.

С целью обеспечения требуемого качества сферической поверх­ности при изготовлении деталей на токарных станках рекомендуется использовать резцы с круглыми пластинами, что позволит обеспечить постоянство главного и вспомогательного углов в плане. При изго­товлении деталей на станках с ЧПУ рекомендуется также учитывать в управляющей программе изменения скорости резания, величины подачи и других параметров.

При фрезеровании сферических поверхностей для обеспечения требуемых параметров качества поверхности необходимыми аспектами являются исключение эксцентриситетов точной настройкой установки инструмента и заготовки, а также исключение возможности возник­новения торцового и радиального биений инструмента [5].

Также перспективным методом повышения качества изготовления прецизионных сферических поверхностей является метод предвари­тельной подготовки детали к механической обработке, основанный на локальном пластическом деформировании заготовки, предшествующем лезвийной обработке. Современные исследования [2] показали, что создание зоны предварительного локального пластического деформи­рования на поверхности заготовки позволяет снизить шероховатость обработанной поверхности, положительно сказывается на микрогео­метрии детали, позволяет сократить количество проходов при точении и сегментировать стружку.

Список литературы:

1. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. - 184 с.: ил.
2. Кошелева Е.В. Технологическое обеспечение точности и качества изготовления деталей из титановых сплавов для ГАК и ГАС / Е.В. Кошелева, А.Ю. Важенин // Сборник трудов V научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» МАГ-2017 - СПб., 2017. - С.107-110.
3. Патент РФ № 2188115 С1, В24В 39/04, 27.08.2002.
4. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. Учеб. пособие для вузов. М., «Высш. школа», 1974. - 587 с.: с ил.
5. Попок Н.Н. Анализ способов обработки сферических поверхностей деталей / Н.Н. Попок, В.А. Терентьев, Р.С. Хмельницкий, А.В. Сидикевич. // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия В - ПГУ 2006. - С. 24-45.