Устройство для определения контактных напряжений в зоне обработки при протягивании отверстия деформирующим элементом

 

Изобретение относится к измерительной технике и обеспечивает повышение информативности за счет дополнительного определения касательных контактных напряжений . Устройство снабжено п сферическими закладными элементами 5, диаметр каждого из которых равен удвоенной толщине 2Ь кольца 2. В каждом кольце 2 выполнены сквозные цилиндрические отверстия 3 и дугообразный паз 4, в торце ступенчатого перехода с большего диаметра на меньший диаметр оправки 1 выполнено глухое цилиндрическое отверстие 6 глубиной, равной толщине b кольца 2. Диаметр каждого цилиндрического отверстия 3 и ширина каждого дугообразного паза 4 выбраны равными удвоенной толщине 2Ь кольца 2. Цилиндрические отверстия 3 и дугообразные пазы 4 расположены на делительных окружностях одного и того же радиуса, у каждого крайние точки каждого дугообразного паза 4 смещены относительно центра цилиндрического отJT верстия 3 соответственно на углы (-п - р) и (), где , а каждый сферический закладной элемент 5 установлен с возможностью перемещения в соответствующем цилиндрическом отверстии 3 и смежном с ним дугообразном пазу 4 сопряженного кольца 2. 1 табл., 3 ил. & Ё

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (st>s G 01 М 3/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4741031/28 (22) 26.09.89 (46) 15.03.92. Бюл. f4 10 (71) Институт сверхтвердых материалов АН

УССР (72) О.А. Розенберг, А.Д, Крицкий, С.А, Ро-. дюков, С.Е. Шейкин, Ю.А.. Цеханов и О.С. Родюкова (53) 531,781.2(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1478102, кл. G 01 М 19/02, 1987.

Проскуряков Ю,Г., Романов В.H., Исаев

А.Н. Объемное дорнование отверстий. М;:

Машиностроение, 1984, с. 320, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗОНЕ ОБРАБОТКИ ПРИ ПРОТЯГИВАНИИ ОТВЕРСТИЯ ДЕФОРМИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ .(57) Изобретение относится к измерительной технике и обеспечивает повышение ин формативности за счет дополнительного определения касательных контактных напряжений, Устройство снабжено и сферическими закладными элементами 5, диаметр Ы, 1719966 А1 каждого иэ которых равен удвоенной толщине 2Ь кольца-2. 8 каждом кольце 2 выполнены сквозные цилиндрические отверстия 3 и дугообразный паз 4, в торце ступенчатого перехода с большего диаметра на меньший диаметр оправки 1 выполнено глухое цилиндрическое отверстие 6 глубиной, равной толщине Ь кольца 2, Диаметр каждого цилиндрического отверстия 3 и ширина каждого дугообразного паза 4 выбраны равными удвоенной толщине 2b кольца 2. Цилиндрические отверстия 3 и дугообразные пазы 4 расположены на делительных окружностях одного и того же радиуса, у каждого крайние точки каждого дугообразного паза 4 смещены относительно центра цилиндрического отЖ верстия 3 соответственно на углы (- р) и (ж- р). где p =, а каждый сферический

b закладной элемент 5 установлен с возможностью перемещения в соответствующем цилиндрическом отверстии 3 и смежном с ним дугообразном пазу 4 сопряженного кольца 2. 1 табл., 3 ил.

1719966

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения контактных (нормальных и касательных) напряжений, возникающих при деформирующем протягивании, Известно устройство для измерения нормальных напряжений в зоне контакта инструмента с изделием или стружкой при обработке.

Устройство представляет собой резец, рабочая поверхность которого разделена на отдельные участки, которые воспринимают определенную часть нагрузки, возникающей в месте контакта инструмента с обрабатываемой деталью.

Недостатком указанного устройства является невозможность измерения касательнйх напряжений, Известна конструкция устройства, включающая деформирующий элемент, закрепленный без возможности вращения относительно оправки и установленный в механизм вращения. Это устройство позволяет определить интегральные нормальные и касательные усилия путем измерения силы протягивания при различных условиях(с вращением.и без такового) и дальнейшей математической обработки результатов.

Недостатком данного устройства является невозможность определения распределения усилий в зоне контакта инструмента с изделием при обработке.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения нормальных напряжений при обработке втулок, содержащее датчик осевой силы, ступенчатую цилиндрическую оправку, предназначенную для установки с возможностью вращения и осевого перемещения и взаимодействия с датчиком осевой силы, и набор из и колец равной толщины Ь, установленных на участке оправки меньшего диаметра с возможностью независимого вращения каждого кольца и предназначенных для моделирования рабочей поверхности деформирующего элемента.

Однако это устройство не может быть использовано для измерения касательных напряжений, возникающих в зоне обработки, поскольку тензодатчики фиксируют только радиальные деформации, что сказывается на информативности этого устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее датчик осевой силы, ступенчатую цилиндрическую оправку, предназначенную для установки с воэможностью вращения, осевого перемещения и взаимодействия с датчиком осевой силы, и набор из и колец равной толщины Ь, уста55 и ширина каждого дугообразного паза выбраны равными удвоенной толщине 2b кольца.

Цилиндрические отверстия и дугообразные пазы расположены на делительных окружностях одного и того же радиуса R. новленных на участке оправки меньшего диаметра с возможностью независимого вращения каждого кольца и предназначенных для моделирования рабочей поверхности

5 деформирующего элемента, снабжено и сферическими закладными элементами, диаметр каждого из которых равен удвоенной толщине 2Ь кольца, в каждом кольце выполнено сквозное цилиндрическое отверстие и

10 дугообразный паз, в торце ступенчатого перехода с большего диаметра на меньший. диаметр оправки выполнено глухое цилиндрическое отверстие глубиной, равной толщине Ь кольца, диаметр каждого

15 цилиндрического отверстия и ширина каждого дугообразного паза выбраны равными удвоенной толщине 2b кольца, цилиндрические отверстия и дугообразные пазы расположены на делительных окружностях

20 одного и того же радиуса R, крайние точки каждого дугообразного паза смещены относительно центра цилиндрического отверX стия соответственно на углы (,-р ) и

25 (a- р ), где ф- Ь/R, а каждый сферический закладной элемент установлен с возможностью перемещения в соответствующем цилиндрическом отверстии и смежном с ним дугообразном пазу сопряженного кольца.

30 На фиг. 1 показано устройство, общий вид; на фиг. 2 — схема расположения окон в кольце; на фиг..3 — схема расположения колец и закладных элементов при сборке, Устройство для определения контакт35 ных напряжений содержит ступенчатую цилиндрическую оправку 1, предназначенную для установки с возможностью вращения и осевого перемещения, набор из и колец 2 равной толщины Ь, установленных на участ40 ке оправки 1 меньшего диаметра с возможностью независимого вращения каждого кольца 2 со сквозными цилиндрическими отверстиями 3 и дугообразными пазами 4 и предназначенных для моделирования рабо45 чей поверхности деформирующего элемента (не показан).

Устройство снабжено и сферическими закладными элементами 5, диаметр которых равен удвоенной толщине 2Ь кольца 2.

50 В торце ступенчатого перехода с большего диаметра на меньший диаметр оправки вы- полнено глухое цилиндрическое отверстие

6 глубиной, равной толщине Ь кольца 2, Диаметр каждого цилиндрического отверстия

1719966

Крайние точки каждого дугообразного паза смещены относительно центра цилиндрического отверстия соответственно на углы (л/2 — y) и {ж-y), где р - b/R, а каждый сферический закладной элемент установлен с возможностью перемещения в соответствующем цилиндрическом отверстии и смежном с ним дугообразном пазу сопряженного кольца.

Набор колец 2 фиксируется гайкой и упорным подшипником 7 и 8 соответственно и помещен соосно раздаваемой втулке 9, установленной на упругом элементе 10, удерживающем втулку 9 шпонками 11 и упором 12, Расположение дугообразных пазов на кольцах подобрано так, чтобы не возникла возможность выпадания закладных элементов иэ цилиндрических отверстий. Именно для этого цилиндрические отверстия расположены по одну сторону диаметра. который является касательным к ним. Сечение каждого из колец и оправки (фиг. 1) сделано так, как показано на фиг. 2.

Устройство работает следующим образом.

Через втулку 9 проталкивают ступенчатую оправку 1 с набором колец 2. При этом возникающая сила протягивания 0 регистрируется упругим элементом 10 с датчиком

13. Далее начинают вращать со скоростью .в оправку 1, при этом кольца удерживаются от вращения силамц трения до тех пор, пока закладной элемент 5, находящийся в глухом отверстии 6 в торце перехода с большего диаметра на меньший оправки 1, не выберет окружной зазор дугообразного паза 4, что в дальнейшем приводит к началу вращения первого кольца 2. Второй закладной элемент в виде шара, находящийся в цилиндрическом отверстии 3 первого коль-. ца 2, при вращении последнего выбирает окружной зазор паза 4 второго кольца. Таким образом, второе кольцо 2 начинает вращаться с некоторой временной задержкой 1:

t - -е/в,, (1) где е- угловая длина "ведомого" окна;

op — угловая скорость вращения центрирующего элемента.

Последовательность работы остальных колец аналогична.

По мере вовлечения во вращение совместно с оправкой 1 каждого из колец 2 сила протягивания ступенчато уменьшается, Это связано с поворотом вектора силы трения Fl, действующей на I-в кольцо 2 при движении его через отверстие обрабатываемой втулки 9. Величина изменения силы протягивания hQ зависит от силы трения на

i-м кольце 2 и соотношения угловой скорости вращения в и осевой скорости перемещения.

5 При поступательном движении без вращения общая сила протягивания складывается на следующих составляющих:

QI- NIsIn a+Flcos а, (2) где 0I — часть силы протягивания. действую10 щей на I-e кольцо; .

NI — часть нормальной силы, действующей на I-e кольцо;

FI — часть силы трения, действующей на

I-е кольцо.

15 При поступательном движении с вращением сила протягивания изменяется и определяется следующим образом:

О Ь-Mlslna+F®osa созе. (3)

Величина угла у поворота вектора Fl

20 определяется из соотношений

ctg y Ч/а d/2. (4)

Диаметр фиксирует суммарное усилие

, Ql = f Nl в}в а+ f Fl сов а (5)

25 =1 и с вращением всех дисков

g 01ь =f Вв slsа+сова соваF)6} ! — 1 I =1 I =1 при вращении i колец

g Qis + f 0 =, Ni s ls a + g

1=1 1 =I+1 1=1 I=1 и

cosycosaFI+ rosaFI, (7)

I=I+1 при вращении I+1 колец

I +1 д . д.

g О ь + ; Îl =, Nl sin а+;

1=.1 I =I +2 I -1 1=1 и

40 соэрcosa Fl + g cos а FI . (8)

I-I+2

Если представить силу протягивания при кручении как

Оа - 0I — ЖЬ, (9)

45 совместное решение уравнений (2-9) дает следующие зависимости:

FI ; . (10)

УΠ— 10 ü gaga . (11) щ " ва-вавв

NI «т — Fl (12)

1 тр

Полученные выражения — это интегральные усилия, действующие на одно I-e

55 кольцо 2. Средние контактные напряжения, действующие на участке контакта, ограниченном размерами кольца 2, могут быть определены путем деления соответствующей силовой характеристики (Fl или NI) на площадь контакта кольца 2 с обрабатываемой

1719966 втулкой 9, Площадь контакта определяется из выражения

S2 Ь . (бо — 2 22 з2п a) где h — высота кольца, мм;

I —. порядковый номер кольца, начиная с наибольшего (образующего цилиндрическую ленточку);

d0 — диаметр кольца, образующего цилиндрическую ленточку, мм; а- половина угла при вершине рабочего конуса инструмента, 8 институте сверхтвердых материалов

AH УССР было изготовлено устройство для определения контактных напряжений в зоне обработки при деформирующем протягивании. Ступенчатая оправка с размерами D х L - 42 х 120 мм изготовлена из стали 40Х, Меньшая ступень диаметром 16 мм выполнена с резьбой на конце М 16 х15.

Толщина каждого из колец1 мм+é0 01, Материал колец — инструментальная сталь

Р6 M5 HRC 62-65.

8 качестве закладных элементов используют шары диаметром 2 мм. Сборка имеет следующую геометрию: диаметр цилиндрической ленточки 45 +6,01 мм, рабочий конус имеет длину 25 мм и угол 40.

Отверстия и пазы. изготавливают электроискровым методом. Диаметр цилиндрического отверстия 3 составляет 2 . 0,1 мм.

Длина дугообразного паза 4 равна четверти оборота. Оси цилиндрических отверстий и дугообразных пазов расположены на расстоянии 15 мм от оси вращения. Общее количество колец — 12 шт. Из них 9 штук образовывали часть рабочего конуса, одно кольцо образовйвало цилиндрическую ленточку и другое — обратный конус. Таким образом, был перекрыт практически весь возможный диапазон поверхности контакта инструмента с изделием.

8 результате обработки втулок из стали

20Г, Н В 200 с натягом 1,6 мм, что соответствует фактической длине. контакта 6,5 мм, И толщиной стенки 4 мм получена ступенчатая осциллограмма силы протягивания.

После обработки осциллограмм по формулам 9-12 получены следующие результаты, приведенные в таблице.

По выражению (4) определяют величину р- агар 1 - 45 .

Таким образом, получена эпюра контактных давлений, имеющая два максимума, один минимум и две нулевые точки, соответствующие началу и концу контакта. При этом второй максимум находится у начала цилиндрической ленточки. В этой точке кон30

35 скими закладными элементами, диаметр

45

55

20 тактные давления максимальны и составляют 0,72 ГПа. На цилиндрической ленточке в отличие от известного технологического решения контакт не зафиксирован, Эпюра касательных напряжений близка по характеру, меньше по величине (составляет

8% от нормальных давлений).

Полученные экспериментальные данные о величинах и характере распределения нормальных и касательных напряжений дают возможность оптимизировать геометрию инструмента, осуществить подбор технологической среды, за счет чего повышается его стойкость и снижается расход инструментальных материалов.

Формула изобретения

Устройство для определения контактных напряжений в зоне обработки при протягивании отверстия деформирующим элементом, содержащее датчик осевой силы, ступенчатую цилиндрическую оправку, предназначенную для установки с возможностью вращения, осевого перемещения и взаимодействия с датчиком осевой силы, и набор из и колец равной толщины Ь. установленных на участке оправки меньшегодиаметра с возможностью независимого вращения каждого кольца и предназначенных для моделирования рабочей поверхности деформирующего элемента, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения информативности за счет определения наряду с нормальными также и касательных контактных напряжений, оно снабжено и сферичекаждого из которых равен удвоенной толщине 2b кольца, в каждом кольце выполнены сквозные цилиндрические отверстия и дугообразный паз, в торце ступенчатого перехода с большего диаметра на меньший диаметр оправки выполнено глухое цилиндрическое отверстие глубиной, равной толщине Ь кольца, диаметр каждого цилиндрического отверстия и ширина каждога дугообразного паза выбраны равными удвоенной толщине 2b кольца, цилиндрические отверстия и дугообразные пазы расположены на делительных окружностях одного и того же радиуса R, крайние точки каждого дугообразного паза смещены относительно центра цилиндрического. отверстия соответственно на углы (л/2- р) и (a — p), где rp Ь/й, а каждый сферический закладной элемент установлен с возможностью перемещения в соответствующем цилиндрическом отверСтии и смежном с ним дугообразном пазу сопряженного кольца.

1719966

Составитель С. Шейкин

Техред M.Mîðãåèòâë Корректор О. Кравцова

Редактор М. Петрова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 767 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-36, Раушская наб., 4/5