РАЗМЕРНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Размерная стабильность материалов и элементов конструкций в приборостроении
23
УДК 620.18
С. А. ЯКОВЛЕВА, О. С. ЮЛЬМЕТОВА
РАЗМЕРНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Рассмотрены причины возникновения размерной нестабильности материалов и конструкций приборов, а также физические механизмы ее проявления. Представлен расчетно-экспериментальный метод оценки размерной нестабильности сборочных конструкций и отмечена актуальность его применения при создании высокоточных приборов.
Ключевые слова: геометрическая стабильность, сопротивление микропластическим деформациям, микроползучесть.
Способность металлических материалов и изделий к самопроизвольному изменению формы и размеров с течением времени является значительным препятствием на пути обеспечения непрерывно возрастающих требований к точности и надежности приборов. Так, к деталям и узлам приборов навигационных комплексов предъявляются чрезвычайно жесткие требования по их геометрической точности: отклонение линейных размеров по 5—6 квалитетам и с более высокой точностью, отклонение взаимного расположения и формы поверхностей — доли угловой секунды или десятые, сотые доли микрометра [1]. При этом требования к постоянству размеров и формы еще более высоки и должны обеспечиваться при длительной эксплуатации в условиях постоянной и переменной температуры, так как нестабильность геометрии высокоточных деталей и узлов непосредственно влияет на погрешность прибора.
Обеспечение указанных требований является достаточно сложной задачей, решение которой связано с необходимостью использования металлических материалов с высоким постоянством их качества, необходимостью применения специальных методов и технологических процессов стабилизирующей обработки при изготовлении изделий [2].
Самопроизвольное изменение размеров металлических изделий является следствием в основном трех факторов [3]:
1) нестабильности фазового и структурного состояния материала; 2) релаксации остаточных внутренних напряжений, возникающих в деталях в процессе различных технологических операций горячей и холодной обработки, а также при механосборочных операциях и в процессе длительного хранения; 3) микроползучести под действием внешних нагрузок. Влияние любого фактора (факторов) может оказаться превалирующим в зависимости от конкретных условий, например, материала, его структурного состояния и рабочих напряжений. Особенно интенсивно процессы микроползучести и релаксации развиваются в сплавах с метастабильным фазовым и структурным состоянием. В условиях эксплуатации высокоточных приборов наблюдается процесс медленного и непрерывного нарастания пластической деформации при снижающихся во времени внутренних напряжениях в материале, значительно меньших предела текучести. Чем больше сопротивление материала микропластическим деформациям во времени, тем выше его размерная стабильность в условиях эксплуатации и длительного хранения. Поэтому основной функцией применяемых при изготовлении деталей приборов стабилизирующих обработок является повышение сопротивления материала изделий микропластическим деформациям. Показатели сопротивления микропластическим деформациям металлов и сплавов не коррелируют с условным пределом текучести, который используется в традиционных методах расчета конструкций с назначением запаса прочности. Для высокого сопротивления
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
24 С. А. Яковлева, О. С. Юльметова
микропластическим деформациям при кратковременном и длительном нагружении необхо-
димо обеспечить как можно более высокие напряжения начала движений дислокаций и ста-
бильность фазового состояния, в то время как для достижения только высоких прочностных
свойств эти факторы не существенны.
В основу методов повышения сопротивления металлов и сплавов микропластическим
деформациям положены принципы создания препятствий движению дислокаций, обеспече-
ния стабильности структурного состояния в условиях эксплуатации и понижения остаточных
внутренних напряжений. Но максимально возможное снижение остаточных внутренних на-
пряжений за счет термической обработки не решает проблемы обеспечения постоянства раз-
меров изделий во времени, поскольку зачастую приводит к снижению сопротивления микро-
пластическим деформациям материала.
Действующие нормативные материалы, такие как ГОСТ 17537-75 и ОСТ4.ГО 054103 на
стабилизацию размеров термической обработкой, имеют определенные недостатки [3]:
— представлены только термические методы стабилизации;
— отсутствует ряд новых материалов, применяемых в навигационной технике;
— эффективность представленных режимов ограничена (как показывает практика);
— отсутствуют сведения о стабилизации сварных узлов и методах оценки стабильности
сборок.
Нахождение оптимального решения практических задач выбора, разработки и примене-
ния материалов и технологий для высокоточных изделий возможно в результате дальнейших
обстоятельных исследований зависимости характеристик размерной стабильности от строе-
ния малоизученных металлов и сплавов, а также разработки методов оценки стабильности
высокоточных деталей и сборок.
Для оценки размерной стабильности сложных гироскопических сборок был предложен
метод, основанный на расчетно-экспериментальном подходе [1].
Размерную нестабильность сборочной конструкции ε можно представить как сумму не-
стабильностей ненагруженных (см. далее формулу (1)) и нагруженных (4) при сборке и экс-
плуатации деталей, нестабильностей ненагруженных неразъемных (2) и разъемных (3)
соединений узлов, а также нестабильностей неразъемных соединений, нагруженных при
сборке и эксплуатации (5).
Нестабильность ненагруженных деталей складывается из структурной нестабильности
материала и нестабильности, вызванной релаксацией остаточных напряжений, возникающих
в результате различных технологических воздействий:
m
∑εд = (εсi +εрi ) ,
(1)
i=1
где εс — структурная нестабильность; εр — нестабильность, вызванная релаксацией оста-
точных напряжений; m — количество деталей в сборке ( i =1, m ).
Нестабильность ненагруженных неразъемных соединений складывается из структурной
нестабильности материалов швов (сварных, паяных, клееных) и деформации, вызванной ре-
лаксацией остаточных напряжений:
n
∑εш = (εсj +εрj ) , j=1
(2)
где n — число неразъемных соединений ( j =1, n ).
Нестабильность ненагруженных разъемных соединений определяется по формуле:
m−n−1
εк = ∑ ε j , j=1
(3)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
Размерная стабильность материалов и элементов конструкций в приборостроении
25
где m–n–1 — число разъемных соединений ( j =1,m−n−1), ε j — нестабильность, вызванная
деформацией в контактных поверхностях соединения. Деформации в контакте зависят от шероховатости и загрязнений поверхности. При не-
большой шероховатости, хорошей очистке деталей и чистовых условиях сборки такие деформации даже в течение длительного времени не превысят сотых долей микрометра на одну пару контактных поверхностей, и часто ими можно пренебречь.
Нестабильность нагруженных в сборке деталей (4) и швов (5), подвергнутых воздействию внутренних напряжений от сборочного крепежа и посадок с натягом, а также внешних эксплуатационных (транспортных) напряжений, можно определить по следующим формулам:
mp mп
∑ ∑εнд = εрi + εпl , i=1 l=1
(4)
где mp — количество деталей, подвергнутых релаксации внутренних напряжений ( i =1, mp ); mп — количество деталей, подвергнутых микроползучести под действием внешних напряжений ( l =1, mп ); εп — нестабильность, вызванная микроползучестью детали:
np nп
∑ ∑εнш = εpj + εпl , j=1 l=1
(5)
где np — количество швов, подвергнутых релаксации ( j =1, np ); nп — количество швов, под-
вергнутых микроползучести ( l =1, nп ).
Представление нестабильности в виде отдельных составляющих позволяет применять экспериментально-расчетный метод ее поэтапной оценки для сложных высокоточных приборных сборок. Метод предполагает знание целого ряда механических характеристик входящих в изделие материалов и предусматривает поэтапный анализ стабильности с движением от простого объекта к более сложному: материалы, соединения, отдельные детали, узлы, прибор в целом. При этом учитываются только те элементы конструкции, которые входят в размерную цепь с замыкающим звеном, определяющим точность прибора.
Расчеты высокостабильных конструкций традиционными методами сопротивления материалов и теории упругости неэффективны, так как размерная нестабильность проявляется даже в отсутствие внешних механических воздействий и увеличивается при их наличии, а также под воздействием физических полей. Поэтому анализ размерной нестабильности конструкций включает экспериментальное определение характеристик нестабильности с применением специальных моделей, дополняемое расчетами. На каждом из этапов методика предусматривает решение специфических задач, но и содержит некоторые общие требования. Так, общим является требование иметь на образцах, моделях и деталях базовые измерительные поверхности, максимально приближать форму моделей и технологию их изготовления к реальной конструкции, заканчивать каждый этап при необходимости корректировкой конструкции и технологии, обеспечивая наивысшую размерную стабильность исследуемого объекта.
Данный метод был апробирован [1] при оценке стабильности малогабаритного гироскопа с магнитным подвесом, в котором замыкающим звеном, определяющим точность прибора, является величина отклонения от перпендикуляра оси датчика момента к базовой посадочной поверхности наружного корпуса прибора. В результате были заменены материалы некоторых деталей, выбраны оптимальные виды стабилизирующей обработки и технологические схемы изготовления деталей и узлов, что значительно повысило размерную
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
26 М. А. Голубчиков, Ю. П. Кузьмин
стабильность конструкции, таким образом долговременная нестабильность перпендикулярности оси датчика к базовой поверхности, изготовленного с применением предложенной методики, может принимать значения в пределах 1,2—15″.
В дальнейшем планируется применить данный расчетно-экспериментальный метод оценки размерной нестабильности к высокоточным узлам гироскопических приборов, разрабатываемым в ЦНИИ „Электроприбор“.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 10-08-00158а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаврюсев В. И. Метод оценки размерной нестабильности замыкающего звена гироскопических сборок // Гироскопия и навигация. 1993. № 1. С. 18—25.
2. Хенкин М. Л., Локшин И. Х. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.
3. Гаврюсев В. И. Размерная стабильность материалов и элементов конструкций. Л.: ЦНИИ „Румб“, 1990. 113 с.
4. Гаврюсев В. И. Геометрическая стабильность металлических приборных конструкций и технологические методы ее повышения. Л.: ЦНИИ „Румб“, 1981. 146 с.
Светлана Анатольевна Яковлева —
Ольга Сергеевна Юльметова
—
Сведения об авторах ЦНИИ „Электроприбор“, Санкт-Петербург; инженер-технолог 1-й категории; E-mail: yorkunoi@gmail.com Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; ассистент; E-mail: www.ralli@rambler.ru
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 14.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
23
УДК 620.18
С. А. ЯКОВЛЕВА, О. С. ЮЛЬМЕТОВА
РАЗМЕРНАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Рассмотрены причины возникновения размерной нестабильности материалов и конструкций приборов, а также физические механизмы ее проявления. Представлен расчетно-экспериментальный метод оценки размерной нестабильности сборочных конструкций и отмечена актуальность его применения при создании высокоточных приборов.
Ключевые слова: геометрическая стабильность, сопротивление микропластическим деформациям, микроползучесть.
Способность металлических материалов и изделий к самопроизвольному изменению формы и размеров с течением времени является значительным препятствием на пути обеспечения непрерывно возрастающих требований к точности и надежности приборов. Так, к деталям и узлам приборов навигационных комплексов предъявляются чрезвычайно жесткие требования по их геометрической точности: отклонение линейных размеров по 5—6 квалитетам и с более высокой точностью, отклонение взаимного расположения и формы поверхностей — доли угловой секунды или десятые, сотые доли микрометра [1]. При этом требования к постоянству размеров и формы еще более высоки и должны обеспечиваться при длительной эксплуатации в условиях постоянной и переменной температуры, так как нестабильность геометрии высокоточных деталей и узлов непосредственно влияет на погрешность прибора.
Обеспечение указанных требований является достаточно сложной задачей, решение которой связано с необходимостью использования металлических материалов с высоким постоянством их качества, необходимостью применения специальных методов и технологических процессов стабилизирующей обработки при изготовлении изделий [2].
Самопроизвольное изменение размеров металлических изделий является следствием в основном трех факторов [3]:
1) нестабильности фазового и структурного состояния материала; 2) релаксации остаточных внутренних напряжений, возникающих в деталях в процессе различных технологических операций горячей и холодной обработки, а также при механосборочных операциях и в процессе длительного хранения; 3) микроползучести под действием внешних нагрузок. Влияние любого фактора (факторов) может оказаться превалирующим в зависимости от конкретных условий, например, материала, его структурного состояния и рабочих напряжений. Особенно интенсивно процессы микроползучести и релаксации развиваются в сплавах с метастабильным фазовым и структурным состоянием. В условиях эксплуатации высокоточных приборов наблюдается процесс медленного и непрерывного нарастания пластической деформации при снижающихся во времени внутренних напряжениях в материале, значительно меньших предела текучести. Чем больше сопротивление материала микропластическим деформациям во времени, тем выше его размерная стабильность в условиях эксплуатации и длительного хранения. Поэтому основной функцией применяемых при изготовлении деталей приборов стабилизирующих обработок является повышение сопротивления материала изделий микропластическим деформациям. Показатели сопротивления микропластическим деформациям металлов и сплавов не коррелируют с условным пределом текучести, который используется в традиционных методах расчета конструкций с назначением запаса прочности. Для высокого сопротивления
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
24 С. А. Яковлева, О. С. Юльметова
микропластическим деформациям при кратковременном и длительном нагружении необхо-
димо обеспечить как можно более высокие напряжения начала движений дислокаций и ста-
бильность фазового состояния, в то время как для достижения только высоких прочностных
свойств эти факторы не существенны.
В основу методов повышения сопротивления металлов и сплавов микропластическим
деформациям положены принципы создания препятствий движению дислокаций, обеспече-
ния стабильности структурного состояния в условиях эксплуатации и понижения остаточных
внутренних напряжений. Но максимально возможное снижение остаточных внутренних на-
пряжений за счет термической обработки не решает проблемы обеспечения постоянства раз-
меров изделий во времени, поскольку зачастую приводит к снижению сопротивления микро-
пластическим деформациям материала.
Действующие нормативные материалы, такие как ГОСТ 17537-75 и ОСТ4.ГО 054103 на
стабилизацию размеров термической обработкой, имеют определенные недостатки [3]:
— представлены только термические методы стабилизации;
— отсутствует ряд новых материалов, применяемых в навигационной технике;
— эффективность представленных режимов ограничена (как показывает практика);
— отсутствуют сведения о стабилизации сварных узлов и методах оценки стабильности
сборок.
Нахождение оптимального решения практических задач выбора, разработки и примене-
ния материалов и технологий для высокоточных изделий возможно в результате дальнейших
обстоятельных исследований зависимости характеристик размерной стабильности от строе-
ния малоизученных металлов и сплавов, а также разработки методов оценки стабильности
высокоточных деталей и сборок.
Для оценки размерной стабильности сложных гироскопических сборок был предложен
метод, основанный на расчетно-экспериментальном подходе [1].
Размерную нестабильность сборочной конструкции ε можно представить как сумму не-
стабильностей ненагруженных (см. далее формулу (1)) и нагруженных (4) при сборке и экс-
плуатации деталей, нестабильностей ненагруженных неразъемных (2) и разъемных (3)
соединений узлов, а также нестабильностей неразъемных соединений, нагруженных при
сборке и эксплуатации (5).
Нестабильность ненагруженных деталей складывается из структурной нестабильности
материала и нестабильности, вызванной релаксацией остаточных напряжений, возникающих
в результате различных технологических воздействий:
m
∑εд = (εсi +εрi ) ,
(1)
i=1
где εс — структурная нестабильность; εр — нестабильность, вызванная релаксацией оста-
точных напряжений; m — количество деталей в сборке ( i =1, m ).
Нестабильность ненагруженных неразъемных соединений складывается из структурной
нестабильности материалов швов (сварных, паяных, клееных) и деформации, вызванной ре-
лаксацией остаточных напряжений:
n
∑εш = (εсj +εрj ) , j=1
(2)
где n — число неразъемных соединений ( j =1, n ).
Нестабильность ненагруженных разъемных соединений определяется по формуле:
m−n−1
εк = ∑ ε j , j=1
(3)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
Размерная стабильность материалов и элементов конструкций в приборостроении
25
где m–n–1 — число разъемных соединений ( j =1,m−n−1), ε j — нестабильность, вызванная
деформацией в контактных поверхностях соединения. Деформации в контакте зависят от шероховатости и загрязнений поверхности. При не-
большой шероховатости, хорошей очистке деталей и чистовых условиях сборки такие деформации даже в течение длительного времени не превысят сотых долей микрометра на одну пару контактных поверхностей, и часто ими можно пренебречь.
Нестабильность нагруженных в сборке деталей (4) и швов (5), подвергнутых воздействию внутренних напряжений от сборочного крепежа и посадок с натягом, а также внешних эксплуатационных (транспортных) напряжений, можно определить по следующим формулам:
mp mп
∑ ∑εнд = εрi + εпl , i=1 l=1
(4)
где mp — количество деталей, подвергнутых релаксации внутренних напряжений ( i =1, mp ); mп — количество деталей, подвергнутых микроползучести под действием внешних напряжений ( l =1, mп ); εп — нестабильность, вызванная микроползучестью детали:
np nп
∑ ∑εнш = εpj + εпl , j=1 l=1
(5)
где np — количество швов, подвергнутых релаксации ( j =1, np ); nп — количество швов, под-
вергнутых микроползучести ( l =1, nп ).
Представление нестабильности в виде отдельных составляющих позволяет применять экспериментально-расчетный метод ее поэтапной оценки для сложных высокоточных приборных сборок. Метод предполагает знание целого ряда механических характеристик входящих в изделие материалов и предусматривает поэтапный анализ стабильности с движением от простого объекта к более сложному: материалы, соединения, отдельные детали, узлы, прибор в целом. При этом учитываются только те элементы конструкции, которые входят в размерную цепь с замыкающим звеном, определяющим точность прибора.
Расчеты высокостабильных конструкций традиционными методами сопротивления материалов и теории упругости неэффективны, так как размерная нестабильность проявляется даже в отсутствие внешних механических воздействий и увеличивается при их наличии, а также под воздействием физических полей. Поэтому анализ размерной нестабильности конструкций включает экспериментальное определение характеристик нестабильности с применением специальных моделей, дополняемое расчетами. На каждом из этапов методика предусматривает решение специфических задач, но и содержит некоторые общие требования. Так, общим является требование иметь на образцах, моделях и деталях базовые измерительные поверхности, максимально приближать форму моделей и технологию их изготовления к реальной конструкции, заканчивать каждый этап при необходимости корректировкой конструкции и технологии, обеспечивая наивысшую размерную стабильность исследуемого объекта.
Данный метод был апробирован [1] при оценке стабильности малогабаритного гироскопа с магнитным подвесом, в котором замыкающим звеном, определяющим точность прибора, является величина отклонения от перпендикуляра оси датчика момента к базовой посадочной поверхности наружного корпуса прибора. В результате были заменены материалы некоторых деталей, выбраны оптимальные виды стабилизирующей обработки и технологические схемы изготовления деталей и узлов, что значительно повысило размерную
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8
26 М. А. Голубчиков, Ю. П. Кузьмин
стабильность конструкции, таким образом долговременная нестабильность перпендикулярности оси датчика к базовой поверхности, изготовленного с применением предложенной методики, может принимать значения в пределах 1,2—15″.
В дальнейшем планируется применить данный расчетно-экспериментальный метод оценки размерной нестабильности к высокоточным узлам гироскопических приборов, разрабатываемым в ЦНИИ „Электроприбор“.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 10-08-00158а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаврюсев В. И. Метод оценки размерной нестабильности замыкающего звена гироскопических сборок // Гироскопия и навигация. 1993. № 1. С. 18—25.
2. Хенкин М. Л., Локшин И. Х. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.
3. Гаврюсев В. И. Размерная стабильность материалов и элементов конструкций. Л.: ЦНИИ „Румб“, 1990. 113 с.
4. Гаврюсев В. И. Геометрическая стабильность металлических приборных конструкций и технологические методы ее повышения. Л.: ЦНИИ „Румб“, 1981. 146 с.
Светлана Анатольевна Яковлева —
Ольга Сергеевна Юльметова
—
Сведения об авторах ЦНИИ „Электроприбор“, Санкт-Петербург; инженер-технолог 1-й категории; E-mail: yorkunoi@gmail.com Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра технологии приборостроения; ассистент; E-mail: www.ralli@rambler.ru
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 14.12.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 8