Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат диссертации

на соискание учёной степени доктора технических наук

Разработка высокопроизводительной технологии широкого выглаживания деталей самоустанавливающимся инструментом для массового машиностроительного производства

Бобровский Николай Михайлович

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

05.02.08 - Технология машиностроения

Москва, 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» и ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Научный консультант: Доктор технических наук, профессор С.Н. Григорьев.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Я.И. Барац;

Доктор технических наук, профессор Н.В. Носов;

Доктор технических наук, профессор В.А. Рогов.

Ведущее предприятие: ОАО «ВНИИИнструмент».

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять в адрес совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан: 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н. Волосова М.А.

Актуальность темы

В отечественном машиностроении происходит технологическая модернизация, направленная на повышение эффективности производства и конкурентоспособности выпускаемой продукции. Освоение прогрессивных технологий обеспечивается преимущественно за счет приобретения импортного оборудования и инструмента и, в меньшей степени, путем внедрения новых технологических процессов, созданных в нашей стране.

Можно отметить еще одну особенность современного развития отечественного машиностроения - смещение акцентов в сторону совершенствования высокотехнологичных отраслей, ориентированных на мелкосерийное производство. Не менее важной и актуальной задачей для экономики страны и ее престижа является производство продукции, выпускаемой в больших объемах, качество которой затрагивает интересы большого числа потребителей.

И, наконец, еще об одной тенденции развития технологи машиностроения, в которой наряду с уже традиционными требованиями постоянного повышения производительности, точности и качества обработки деталей все более активно выдвигается условие экологичности их изготовления. При этом требование экологичности производства в расширенной трактовке затрагивает не только комфортность условий труда, но и уменьшение материалоемкости и энергосбережения выпуска изделий, что напрямую влияет на их экономичность и конкурентоспособность.

Применительно к финишным операциям обработки, например, с использованием абразивного инструмента и принудительного охлаждения зоны резания более предпочтительным с точки зрения экологии представляются процессы поверхностного пластического деформирования (ППД) и особенно те, в которых не применяются смазывающе-охлаждающие технологические среды (СОТС).

В соответствии с отмеченными тенденциями и особенностями развития машиностроения и его научно-технического обеспечения можно сформулировать приоритеты представленной диссертационной работы. Ее выполнение направлено на создание и внедрение новой технологии финишной обработки методом ППД без охлаждения взамен абразивной обработки (например, ленточного шлифования с охлаждением керосином) для условий массового изготовления деталей с тактом выпуска менее минуты.

Для указанных условий производства, в частности для автомобилестроения, ключевой проблемой внедрения новой технологии становится ее повышенная надежность и стабильность, то есть уверенность в безусловном выполнении всех необходимых требований к точности и качеству массового производства 600 000 и более деталей в год только одного типа при их непрерывном изготовлении в течение нескольких лет. При отсутствии влияния оператора на ход технологического процесса выполнение требований по точности формы и размеров поверхности обрабатываемой детали, ее шероховатости и других регулируемых характеристик качества поверхностного слоя требует тщательной научно-исследовательской проработки.

Проведенный обзор и анализ результатов исследований различных аспектов процессов поверхностного пластического деформирования позволяет сделать следующее заключение.

Процессы ППД в последние годы стали составной частью технологии формообразования деталей в машиностроении в качестве финишной операции. Важным достоинством методов поверхностного пластического деформирования является управляемое воздействие на структуру и физико-механические свойства поверхностного слоя обрабатываемых деталей с целью улучшения его эксплуатационных свойств.

Разработано, исследовано и внедрено в промышленность большое количество методов ППД со статическим и динамическим воздействием на обрабатываемую поверхность деталей, которые заметно отличаются по эффективности использования, конструктивному исполнению и эксплуатационному назначению.

Большинство известных примеров практического использования методов ППД свидетельствует, что наиболее эффективно они применяются в отраслях машиностроения с мелкосерийным производством и при обработке преимущественно ответственных деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, усталостной прочности и др.

Если рассматривать метод ППД как возможную альтернативу процессам абразивной обработки в качестве финишных операций, то оказывается, что упрочняющая обработка в большинстве случаев уступает абразивной по скорости достижения заданной степени шероховатости обрабатываемых поверхностей деталей и, особенно, для поверхностей с повышенной степенью гладкости.

Преимуществом методов поверхностного пластического деформирования является их экологичность, так как по определению при упрочняющей обработке не происходит удаления материала и, следовательно, повышается коэффициент его использования. Применение ППД в качестве альтернативы абразивной обработке в ряде случаев может исключить масштабное использование смазочно-охлаждающих технологических средств.

В этой связи можно констатировать, что тема диссертационной работы актуальна и направлена на решение важной научно-технической проблемы повышения эффективности и экологичности технологических процессов изготовления деталей в условиях их массового производства.

В процессе выполнения работы были разработаны новые методы и технология поверхностного деформирования выглаживанием оригинальным по конструкции и назначению инструментом - широким самоустанавливающимся выглаживателем. Использованные в работе высокопроизводительные способы обработки и инструменты для их реализации признаны изобретениями, что подтверждается полученными авторскими свидетельствами и патентами РФ.

Цель работы: повышение эффективности и экологичности финишной обработки стальных и чугунных деталей в условиях их массового производства путем разработки, обоснования и освоения новой высокопроизводительной технологии выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом взамен ленточного шлифования с охлаждением керосином.

Для реализации поставленной цели необходимо выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований, а также работ, направленных на решение следующих основных задач:

1. Разработка метода и технологии поверхностного выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом.

2. Теоретическое обоснование применения технологии выглаживания, включая анализ условий контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью, теплообразования и распределения тепловых потоков в зоне обработки.

3. Исследование и назначение рациональных условий работы инструмента при поверхностном выглаживании деталей из конструкционных и легированных сталей и высокопрочного чугуна, включая разработку конструкций выглаживателя, модель изнашивания его рабочей поверхности, выбор материала инструмента, изучение влияния его износа на качество обработки.

4. Разработка методики и проведение исследований по оценке эксплуатационной надежности деталей с рабочими поверхностями, обработанными по новой технологии.

5. Проектирование, изготовление и промышленное освоение оригинальных конструкций широких выглаживателей и технологии их изготовления, конструкций станочного оборудования для новой технологии поверхностного выглаживания для условий массового производства.

6. Обобщение опыта производственных испытаний и внедрения новой технологии поверхностного выглаживания и разработка технологических рекомендаций по ее расширенному использованию в различных отраслях машиностроения.

Методология исследований. В работе использован комплексный подход для достижения поставленной цели, основанный на совместном использовании методов теоретического анализа и экспериментальных исследований в совокупности с компьютерным моделированием и производственными испытаниями. При проведении исследований использовались теоретические положения технологии машиностроения, физики металлов, механики деформируемого твердого тела, стандартные методики с использованием методов математической статистики, а также современные методы исследования материалов. Теоретические исследования и анализ экспериментальных данных проводились на ЭВМ с применением программы для инженерно-математических вычислений Matlab и языка программирования Delphi.

Достоверность теоретических разработок и экспериментальных исследований, а также эффективность практических рекомендаций подтверждена результатами опытно-промышленной проверки и внедрением в производство разработанных технологических процессов, инструмента и оборудования.

Научная новизна работы состоит в:

- теоретическом обосновании целесообразности и эффективности технологического применения нового высокопроизводительного процесса выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом с предложенными схемами бездефектного воздействия на систему обработки «деталь-инструмент-станок»;

- комплексной модели процесса широкого выглаживания с общим программным обеспечением, включающей в себя расчетный анализ условий контактирования инструмента с обрабатываемой поверхностью, их нагрева и изнашивания рабочей поверхности выглаживателя как фактора, определяющего его работоспособность;

- выявленных закономерностях теплообразования и распределения тепловых потоков между выглаживающим инструментом и обрабатываемой деталью в условиях сухого трения скольжения с большой площадью контакта;

- предложенной методологии теоретической и экспериментальной оценки изнашивания инструмента как достижение критического состояния в результате необратимой трансформации микрогеометрической топографии его рабочей поверхности, при котором не обеспечивается заданная шероховатость выглаженной поверхности детали;

- раскрытом характере влияния технологических параметров широкого выглаживания на условия быстрого (за 6…10с) обеспечения заданной шероховатости обработанной поверхности деталей из конструкционных сталей и высокопрочного чугуна.

Практическая ценность результатов работы заключается в:

- разработанной высокопроизводительной и экологичной технологии выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом без применения смазывающе-охлаждающих технологических сред;

- предложенных и реализованных в промышленных масштабах оригинальных технологических схемах, инструментах, технических устройствах и оборудования для широкого выглаживания;

- разработанных технологических условиях рационального применения новых методов выглаживания в массовом производстве;

- созданном программном обеспечении для прогнозирования работоспособности выглаживающего инструмента с оценкой его контактного взаимодействия с обрабатываемой поверхностью детали, теплонапряженности и изнашивания в процессе широкого выглаживания без охлаждения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на отраслевой научно-технической конференции, Куйбышев, 1988, Межреспубликанской научно-технической конференции, Волгоград, 1989, областной научно-технической конференции, Тольятти, 1989, Юбилейной научно-технической конференции, Тольятти, 1997, Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» (г. Уфа, УГАТУ, 2000), VI Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» (Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2001), Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (г. Тольятти, ТГУ, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, ТГУ, 2004), Международной научной конференции «XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ-РГТУ, 2004 г.), Первом международном экологическом конгрессе (Третьей международной научно-технической конференции) «Экология и без-опасность жизнедеятельности промышленно-транспорт-ных комплексов», ELPIT-2007.

Публикации. По результатам работы опубликована одна монография, 60 статей, 10 из которых в изданиях из рекомендованного перечня ВАК РФ; получено 6 авторских свидетельств на изобретения и 5 патентов РФ, зарегистрировано 2 алгоритма программного обеспечения расчетов в Отраслевом фонде алгоритмов и программ РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций по работе. Диссертационная работа изложена на 291 странице машинописного текста, содержит 141 рисунок, 18 таблиц, список используемой литературы из 192 наименований и приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы и направления исследования. Приведены цели и задачи исследования. Сформулированы основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ современных методов поверхностного пластического деформирования. Рассмотрены основные способы упрочнения ППД, в частности, группа его статических методов. Классифицированы основные способы повышения производительности статических методов поверхностного пластического деформирования: повышение скорости перемещения инструмента по обрабатываемой поверхности, увеличение количества инструментов, одновременно воздействующих на обрабатываемую поверхность.

Существенный вклад в разработку и исследование методов ППД и механической обработки деталей машин без применения СОТС внесли такие отечественные ученые как Б.М. Аскинази, А.П. Бабичев, Я.И. Барац, Г.П. Башков, М.А. Балтер, В.М. Браславский, С.Н. Григорьев, М.С. Дрозд, М.М. Жасимов, Е.С. Киселев, И.В. Кудрявцев, А.Н. Овсеенко, Л.Г. Одинцов, Д.Д. Папшев, В.В. Петросов, Ю.Г. Проскуряков, А.М. Розенберг, О.А. Розенберг, В.М. Смелянский, В.К. Старков, В.М. Торбило, Л.А. Хворостухин, Г.И. Чекин, П.А. Чепа, Ю.Г. Шнейдер, П.И. Ящерицын, В.К. Яценко и др. Вопросы ППД освещены также в работах зарубежных ученых И. Брудера, А. Зума, И. Нейкиррехена, Х. Конига, В. Прзибильского, И. Холла и др.

На основании выполненного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены теоретические и технологические предпосылки разработки и освоения технологии поверхностного выглаживания без охлаждения.

В диссертационной работе поставлена цель, заключающаяся в повышении эффективности и экологичности финишной обработки в условиях массового производства деталей с цилиндрическими обрабатываемыми поверхностями.

Из анализа методов поверхностного пластического деформирования, приведенного в предыдущей главе, можно сделать заключение, что, по-видимому, единственным процессом для выполнения поставленной цели может стать процесс выглаживания поверхности детали.

Указанный метод выглаживания наилучшим образом приспособлен к упрочняющей обработке поверхностей вращения, используя для этого алмазный индентор - выглаживатель со сферической рабочей поверхностью. Несмотря на уникальные свойства алмаза как инструментального материала (высокая твердость, повышенная износостойкость и прочность на сжатие), его применение ограничивается повышенной склонностью к химическому взаимодействию с конструкционными материалами, например, с низкоуглеродистыми сталями, титаном и его сплавами и др. Отсутствие СОТС в зоне выглаживания только усугубляет этот недостаток алмазного инструмента.

Особенность алмазного выглаживания как способ последовательного локального воздействия перемещающегося индентора на обрабатываемую поверхность детали в условиях массового их производства рассматривается как недостаток, вследствие низкой производительности обработки.

Технологические достоинства процесса выглаживания очевидны, поэтому в данной работе они использованы, но в техническом исполнении с существенно более высокой производительностью обработки.

Анализ требований к финишной обработке деталей, рекомендуемых для выглаживания, и условий их выполнения. Создание и применение известных методов поверхностного пластического деформирования имеет основной задачей заметное улучшение эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей за счет использования упрочняющего воздействия на их поверхностный слой. В этой связи методы ППД находят все боле широкое применение в тех отраслях машиностроения, где при обработке жестко регламентированы требования к условиям формирования обрабатываемой поверхности, физико-механического и структурного состояния поверхностного слоя детали.

Часто в требованиях на обработку таких деталей устанавливаются не только значения шероховатости обработанной поверхности, но и знак, уровень и характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое, допустимая степень наклепа и т.д. Такие требования характерны для авиационной промышленности, ракетостроения, энергомашиностроения и других отраслей, где всегда остро стоит проблема снижения веса конструкции при повышении ее прочности и надежности в сложных условиях эксплуатации.

В данной работе решение задачи повышения эффективности процесса выглаживания как метода финишной обработки ориентировано на автомобилестроение, в котором специфика технических требований на обработку деталей в настоящее время пока кардинально отличается от вышеописанных.

Требования к обработке выглаживанием. В качестве примера в табл. 1 приведены технические требования к поверхностям деталей, которые могут быть рекомендованы к выглаживанию взамен ленточного шлифования.

Таблица 1. Технические требования к поверхностям деталей, рекомендуемым для выглаживания в массовом производстве

Наименование детали	Материал	Твердость поверхности	Размеры шейки, диаметр/ширина, мм	Шероховатость Ra, мкм
Вал коленчатый 2112-1005020	ВЧ 75-50-03	HRC 50	28-0,1 / 15 80-0,05 / 15	0,2…0,4
Вал коленчатый 2110-1005020	ВЧ 75-50-03	HRC 50	28-0,1 / 15 80-0,05 / 15	0,2…0,4
Корпус внутреннего шарнира 2108-2215064	Сталь 19ХГН	HRC 62	40-0,05 / 10	0,25
Корпус внутреннего шарнира 2121/23-2215064/65	Сталь 19ХГН	HRC 62	40-0,05 / 10	0,25
Полуось заднего моста 2103-2403070	Сталь 40	HRC 53	38-0,038 / 15	0,2…0,4
Полуось заднего моста 2121/23-2403070	Сталь 40	HRC 53	38-0,038 / 15	0,2…0,4
Вал первичный КПП 2110-1701026	20ХГНМ	HRC 58	24,95-0,1 / 9	0,2…0,4
Вал первичный КПП 2101-1701026	20ХГНМ	HRC 58	24,95-0,1 / 9	0,2…0,4
Фланец крепления карданного вала 2101-2201102	Сталь 40	HB 165…215	35,85-0,1 / 15	0,2…0,4
Фланец эластичной муфты 2101-1701240	Сталь 40	HB 200…225	32-0,04 / 15	0,2…0,4

Для указанных деталей допуск на размер обработки составляет 0,05…0,1 мм, а штучное время обработки для реализации указанных требований изменяется от 40 до 55 с, а машинное время обработки изменяется от 6 до 10 с, исходная шероховатость поверхностей после предшествующего выглаживанию шлифования лентами или кругами по нормативам должна быть в пределах Ra = 0,8-1,0 мкм, в реальности достигает значений до Ra = 2,5 мкм.

Анализируя представленные данные, можно прийти к выводу, что процесс выглаживания как метод финишной обработки должен обеспечить относительно невысокие требования по точности при высокой скорости трансформации исходной шероховатости обрабатываемой поверхности в заданный диапазон по Ra = 0,2…0,4 мкм.

В этой связи большое значение приобретает фактор технологического обеспечения заданной шероховатости поверхности, обрабатываемой тем или иным методом, таким образом, чтобы гарантировать ее поведение в заданных параметрах эксплуатации с максимально возможным ресурсом использования с высоким уровнем надежности на всем жизненном цикле.

Условия реализации заданных требований. Для реализации в массовом производстве финишной обработки методом ППД в работе предложен оригинальный и высокопроизводительный способ выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом - выглаживателем. При данной схеме очаг упруго-пластической деформации в направлении, нормальном перемещению (внедрению) выглаживающего инструмента, равен ширине обрабатываемой поверхности детали (рис. 1).

а) б)

Рис. 1 Процесс обработки широким самоустанавливающимся выглажывателем:

а) схема обработки, где 1 - обрабатываемая деталь, 2 - выглаживатель;

б) выглаживатель, где 1 - рабочая часть выглаживателя, 2 - корпус

Особенностью предложенного метода является существенное увеличение размеров рабочего пространства выглаживания и соответственно нагружаемой поверхности взаимного контакта детали и выглаживателя. По этой причине при сохранении неизменной величины удельного давления на деформируемую поверхность детали сила, с которой необходимо прижать инструмент, пропорционально ширине обработки возрастает. Этот недостаток схемы выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом легко устраняется встречной установкой выглаживающих инструментов (рис. 1,а).

Чтобы оценить эффективность нового метода обработки ППД в сравнении с традиционной схемой алмазного выглаживания с продольной подачей сферического индентора S, рассчитаем величину коэффициента прироста производительности по формуле:

, (1)

где l - ширина обработки (9…15 мм, см. табл. 2.1); S = 0,05…0,1 мм/об и N - число циклов нагружения по новой схеме (обычно N = 4…6).

Расчет показывает, что переход от традиционного алмазного выглаживания к выглаживающей обработке широким инструментом обеспечивает увеличение производительности процесса (по машинному времени) от 15 до 75 раз.

Чтобы идентифицировать процесс выглаживания широким инструментом как самостоятельный процесс автором предложены его названия как «широкое» или «поверхностное» выглаживание.

При финишной обработке поверхностей деталей из пластичных (конструкционных и легированных сталей) и малопластичных (высокопрочных чугунов) материалов с использованием процесса выглаживания решающим фактором достижения его максимальной эффективности становится выявление таких технологических условий обработки, при которых эффект сглаживания поверхностных микронеровностей в сочетании с формированием заданной точности формы и размеров обрабатываемой поверхности обеспечивается при минимальном упрочняющем воздействии на поверхностный слой детали.

Необходимость обеспечения заданной точности обработки требует также выявления и устранения нежелательных упругих деформаций при взаимодействии технологической системы станок-инструмент-деталь, возможных тепловых деформаций детали и неуправляемой потере настроечного размера от размерного изнашивания выглаживающего инструмента.

При упрочняющей обработке изнашивание рабочей поверхности выглаживателя не дает заметного эффекта в потере настроечного размера наладки технологической системы. Особенность изнашивания как фактора потери работоспособности выглаживателя заключается в существенном изменении топографии его рабочей поверхности до такой степени, что он перестает обеспечивать требуемую шероховатость обрабатываемой поверхности детали.

Технология широкого выглаживания. Эффективная реализация новой технологии выглаживания предполагает анализ и назначение следующих ее составляющих:

· Технологическая схема обработки в виде взаимосвязанной системы деталь-инструмент с ограничением количества инструментов и их расположения относительно обрабатываемой поверхности детали, ширина обработки, кинематика рабочих движений и вектор давления (сила прижима инструмента к детали).

· Инструмент для выглаживания - конструкция, материалы выглаживателя и державки, крепление и т.п.

· Технологические параметры обработки - скорость вращения детали, величина силы прижима инструмента к обрабатываемой поверхности и цикл обработки, т.е. количество оборотов детали, необходимое для выполнения заданных требований по точности и качеству обработки.

· Ресурс работы выглаживателя (стойкость) до его принудительной замены. Для установления ресурса необходимо выявить механизм и интенсивность изнашивания рабочей поверхности инструмента, а также характер влияния его износа на формирование шероховатости обрабатываемой поверхности, точности ее формы и размеров.

Технологические схемы обработки. При анализе возможных технологических схем широкого выглаживания были рассмотрены, помимо схемы, представленной на рис. 1, 4 другие схемы (рис. 2).



Рис. 2 Основные технологические схемы процесса широкого выглаживания

На рис. 3 показаны также другие оригинальные схемы (способы) отделочно-упрочняющей обработки широким выглаживателем для нанесения рельефа в виде наклонных канавок и обработки поверхностей деталей сложной формы (например, кулачков).

При выглаживании для обеспечения заданного допуска на точность формы и размеров обрабатываемой поверхности детали решена задача оптимальной установки широкого выглаживателя относительно оси детали.

На рис. 4 и 5 показаны разработанные конструкции широких самоустанавливающихся выглаживателей с клеевым (5,а) и механическим креплением (5, б) рабочей части инструмента.

пластический деформирование выглаживание шлифование



Рис. 3 Высокопроизводительные способы выглаживания широким инструментом

Рис. 4 Конструкция выглаживающей головки

а) б)

Рис. 5 Конструкция широкого самоустанавливающегося инструмента

Модель выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом без применения СОТС. Разработана обобщенная модель высокоэффективного штрокого выглаживания без применения СОТС, позволяющая уже на стадии технологического проектирования подбирать наиболее выгодные параметры предложенной технологии и прогнозировать качество обработанной поверхности. Разработанная обобщенная модель состоит из следующих основных моделей: модели контактного взаимодействия, тепловой картины процесса и энергетической модели изнашивания выглаживателя.

На рис. 6 представлен алгоритм построения модели выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом.

Контактная модель выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом. На первом этапе строится контактная модель, в результате которой определяется конфигурация пятна контакта между выглаживателем и обрабатываемой поверхностью. Модель рассматривалась для случаев выглаживания с подачей и выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом.

Для выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом определить геометрические параметры очага деформации соприкосновения двух цилиндров с параллельными осями (рис. 7) позволяет решение упругой задачи Герца. Если они сжимаются силой, равномерно распределенной вдоль оси цилиндра q, то напряженно-деформированное состояние будет одинаковым в каждом сечении.

Рис. 7. Контактное взаимодействие двух параллельных цилиндров конечной длины

Область контакта цилиндров представляет собой полосу шириной . Полуширина области контакта определяется по формуле:

. (2)

где Е* - приведенный модуль упругости, МПа; R - приведенный радиус кривизны, мм; q - сила, действующая на единицу длины оси, Н/мм.

Рис. 6 Основные этапы построения модели процесса выглаживания

В выражении (2) приведенный радиус кривизны определяется по формуле:

,(3)

где R_Д и R_И - радиус детали и инструмента соответственно, мм.

Приведенный модуль упругости определяется по формуле:

, (4)

где и Е - соответственно коэффициент Пуассона и модуль упругости для детали и инструмента.

Фактической шириной контакта b будет являться дуга окружности (рис. 8), которую можно определить по формуле:

, (5)

Рис. 8 Связь между полушириной контактной площадки и глубиной проникновения h в деформированном состоянии

Глубину внедрения выглаживателя можно определить по формуле:

, (6)

Энергетическая модель изнашивания инструмента при выглаживании без применения смазочно-охлаждающих технологических сред. Процесс выглаживания - это процесс взаимодействия инструмента с поверхностью обрабатываемой детали в условиях трения скольжения при давлении, которое должно обеспечить пластическое течение тонкого приповерхностного слоя деформируемого металла. В результате указанного взаимодействия, с одной стороны, происходит трансформация топографии выглаживаемой поверхности с формированием субструктуры упрочнения поверхностного слоя детали.

Рабочая поверхность инструмента - выглаживателя, с другой стороны, претерпевает свои характерные изменения, которые приводят к потере его работоспособности.

Фундаментальное понимание механизма физико-механического взаимодействия двух контактирующих поверхностей - рабочей поверхности выглаживателя с обрабатываемой поверхностью детали может быть раскрыто на основе изучения множества дискретных (локальных) взаимодействий и их статистического обобщения.

По существу при выглаживании происходит контактирование двух шероховатых поверхностей: более гладкой и твердой инструмента с более шероховатой и пластичной поверхностью детали.

В производственном цикле обработки деталей при выглаживании с шероховатостью рабочей поверхности инструмента Ra = 0,01…0,04 мкм за короткое время 6…10с происходит заметное улучшение шероховатости выглаживаемой поверхности с исходной Ra = 0,5…1,0 мкм (в реальности до 2,5 мкм) до заданной величины, равной Ra = 0,2…0,4 мкм.

С течением машинного времени использования выглаживателя качество обрабатываемой поверхности постепенно ухудшается и после обработки 3500…4000 деталей или 8…10 часов непрерывной работы становится очевидной необходимость замены инструмента по причине невыполнения заданного требования по шероховатости.

Одновременно с увеличением высоты микронеровностей обрабатываемых деталей изменяется топография рабочей поверхности выглаживающего инструмента с увеличением ее шероховатости. Такая сопутствующая динамика ухудшения рабочей поверхности выглаживателя свидетельствует о наличии механизма аппликации геометрии его поверхности на обрабатываемую поверхность детали. Можно, следовательно, говорить о том, что наряду с механизмом пластического течения деформируемой шероховатой поверхности относительно мягкого материала при выглаживании проявляется также механизм аппликативного наложения шероховатости рабочей поверхности более твердого инструмента.

Безусловное существование указанного эффекта аппликации при выглаживании, подтверждаемое многолетним опытом его промышленного применения, дает основание принять его в качестве основной гипотезы для расчетного прогнозирования условий формирования качества обработки.

Таким образом, теперь можно сформулировать основной подход, принятый в работе для моделирования процесса изнашивания рабочей поверхности инструмента при выглаживании. Стойкость выглаживателя, определяемая временем его работы, когда нарушается требование по заданной шероховатости выглаживаемой поверхности детали, зависит от состояния его рабочей поверхности и, в первую очередь, его микрогеометрической топографии. Топография рабочей поверхности выглаживателя, трансформируемая с течением времени обработки под действием адгезионного взаимодействия поверхностей инструмента и детали, имеет свой предел - такое критическое состояние, при котором вследствие эффекта аппликации неспособно обеспечить требуемую шероховатость обрабатываемой поверхности.

Ситуация в зоне выглаживания существенным образом изменяется при отсутствии принудительного охлаждения жидкостью, предназначенной также для предотвращения адгезионного взаимодействия. Без СОТС сухое трение контактирующих поверхностей сопровождается более интенсивным изнашиванием рабочей поверхности выглаживающего инструмента.

Следовательно, в конечном итоге, расчетная оценка ожидаемой стойкости выглаживателя сводится к определению времени и условий формирования критического состояния рабочей поверхности инструмента в результате его изнашивания, при котором он становится функционально непригодным.

На основе теоретических подходов нового научного направления - синергетики, которое в последнее время получило широкое распространение, деформируемое твердое тело рассматривается как синергетическая система, обменивающаяся энергией и веществом с окружающей средой, а разрушение трактуется как неравновесный фазовый переход, которому предшествует спонтанная перестройка дислокационной структуры. При этом частные задачи решаются с позиций механики твердого тела на микро-, мезо- и макроуровнях; на основе законов термодинамики необратимых процессов с учетом термоактивационной природы процессов деформирования и разрушения материалов; например, на основе молекулярно-кинетической теории повреждаемости и разрушения твердых тел.

Синергетический подход к анализу сложных физико-химических явлений, протекающих при взаимодействии инструмента и обрабатываемой детали, можно рассматривать как научную методологию, которая позволяет на единой фундаментальной основе изучать и объяснять физическую сущность взаимосвязанных кооперативных явлений, как результат самоорганизации процессов обработки и, в частности, выглаживания.

Изложенные принципы синергетического подхода к анализу различных технологических систем обработки применимы к описанию и процессам выглаживания, в частности, механизма изнашивания инструмента.

Можно отметить, что новый научный подход на основе теоретических положений синергетики успешно использован Ю.Г. Кабалдиным и А.М. Шпилевым для комплексного анализа взаимосвязанных явлений, которые сопровождают процесс резания материалов. Физико-химическая природа резания материалов, его теплофизика, кинематика и динамика, условия трения, наличие вибраций и т.д. представляется более сложной и труднообъяснимой, чем процесс обработки выглаживанием.

В диссертационной работе предложена энергетическая (а точнее - синэнергетическая) модель изнашивания инструмента, при построении которой принято следующее утверждение: изнашивание инструмента - это процесс отделения «частиц» с рабочей поверхности, а причиной отделения частиц с поверхности инструмента является энергетический критерий, т.е. состояние, когда:

, (7)

где - энергия, необходимая для «вырывания» частицы инструмента с его поверхности; - энергия, аккумулированная частицей рабочей поверхности инструмента в процессе обработки.

Для уменьшения объема вычислений, а также в силу того, что невозможно с полной достоверностью вычислить некоторые физические величины, при построении модели изнашивания, были приятны следующие допущения:

1. Модель изнашивания распространяется только на движение цилиндрического индентора из поликристаллического материала с различной зернистостью по упругопластическому полупространству (рис. 9).

2. Структура материала представляет из себя гомогенную смесь, состоящую из твердых частиц и связки меньшей твердости.

3. За элементарную частицу в модели принимается частица твердой фракции произвольной формы инструментального материала с прилегающей к ней связкой.

Рис. 9 Исследуемый объект при построении модели изнашивания

4. Воздействие со стороны детали в процессе обработки трактуется как энергетический поток , часть которого аккумулируется в элементарных частицах поверхности инструмента (рис. 10).

Рис. 10 Воздействие процесса обработки на поверхность инструмента

5. Рабочая поверхность инструмента не является гладкой, а состоит из стохастически распределенных выступов и впадин, т.е. соответствующей ее реальной шероховатости.

В конечном итоге энергия , аккумулированная рабочей поверхностью выглаживателя коррелируется с моделью тепловых полей, и выражение по определению площади износа принимает следующий вид:

(8)

где - площадь износа, образуемая при отрыве одной элементарной частицы c рабочей поверхности инструмента, м²; - объемная теплоемкость инструментального материала, Дж/(К?м³); - аккумулированная во времени температура поверхности рассматриваемой частицы, К; - объем элементарной частицы, м³; ф - временной параметр, с; - площадь поверхности элементарной частицы, м²; у_св - энергия связи элементарной частицы, Дж/м²; К_энерго - эмпирический коэффициент, сопоставляющий тепловую и механическую энергии отрыва элементарной частицы.

Энергетическое состояние, при котором происходит отделение элементарной частицы с рабочей поверхности целесообразнее определять численным методом, путем последовательных итераций данному состоянию.

В третьей главе рассмотрены теплообразование и распределение тепловых потоков при широком выглаживании. Важным фактором, влияющим на качество обработки детали при выглаживании без использования СОТС, точность их размеров и работоспособность инструмента, является температура в детали и инструменте, в том числе в зоне контакта между ними.

Понимание условий теплообразования и распределения тепла и их количественная оценка на финишных операциях обработки деталей всегда актуально, так как может оказать негативное и необратимое влияние на формирование их эксплуатационных свойств. Особую актуальность эта проблема приобретает при обработке, в том числе, при выглаживании без применения смазочно-охлаждающих технологических средств.

С точки зрения теплофизического анализа при исследовании метода широкого выглаживания возникает задача, в которой источник определенной формы перемещается по поверхности детали в заданном направлении.

В работе для сравнения рассмотрена тепловая картина для двух процессов выглаживания: алмазным индентором и широким самоустанавливающимся инструментом. При алмазном выглаживании оправдано использование точечного источника тепла, а при широком выглаживании источник теплообразования представлен как аддитивная совокупность связанных по ширине рабочей поверхности инструмента точечных источников теплообразования.

Расчетные модели разработаны для двух областей режимов выглаживания, граница раздела которых определяется величиной критерия Пекле: при значениях Ре 10 источник теплообразования считается быстродвижущимся, при Ре 10 полученные зависимости учитывают указанное изменение.

Рассмотрим размеры и конфигурацию источников тепла, действующих в процессе широкого выглаживания.

При традиционных схемах выглаживания пятно контакта между индентором и заготовкой имеет эллипсоидную форму с различными соотношениями между l и b. Для процесса широкого выглаживания принимаем прямоугольную форму пятна контакта (b>l).

При различных видах обработки теплота выделяется в определенном объеме, поэтому источник тепловыделения будет трехмерным. При схематизации задачи на данном этапе ее решение принимаем допущение, что источники, действующие в зоне контакта индентора с заготовкой, являются двухмерными. Как показал анализ исследований в данной области, законы распределения плотности тепловых потоков в объеме зоны тепловыделения изучены недостаточно.

При небольших глубинах, характерных для широкого выглаживания, представим тепловыделение в виде двухмерных источников прямоугольной формы b*l, расположенных на поверхности детали (движущийся источник) и на поверхности инструмента (неподвижный источник рис. 11). Распределение плотности этих источников можно первоначально принять равномерным, хотя более точным будет линейное или нормальное распределение. Эти более сложные распределения несколько усложняют математическое описание тепловых процессов при широком выглаживании.

Если рассматривать источник быстродвижущимся (критерий Пекле Ре ? 10), то формулы, описывающие температурное поле, могут существенно упроститься.

а) б)

Рис. 11 Процесс поверхностного пластического деформирования

При широком выглаживании могут встретиться различные сочетания условий обработки, при которых критерий Ре будет принимать различные значения, в том числе в областях режимов выглаживания, в пределах которых источник можно считать быстродвижущимся.

Для случая нормального распределения в одном направлении источника тепла зависимость для контактной температуры имеет вид:

(9)

Для точек, расположенных на поверхности детали получено выражение для контактной температуры:

(10)

Для расчета температур была составлена специальная программа.

При рассмотрении варианта, когда интенсивность тепловыделения по площади источника неравномерно, то при нормальном распределении в одном направлении расчетное выражение примет вид:

(11)

Получены зависимости для определения контактной температуры при широком выглаживании без охлаждения с учетом теплофизических характеристик материалов, скорости процесса, количества циклов нагружения и применяемой технологической схемы обработки, использование которых дает возможность минимизировать нагрев.

Температура существенно зависит от скорости и усилия выглаживания: с увеличением скорости и давления на обрабатываемую поверхность детали средняя температура по площадке контакта при широком выглаживании может возрастать до 8 - 9 раз. Но даже в самых напряженных условиях нагружения температура в контакте не превышает 400 єС при выглаживании стали 40 и 450 єС - при обработке высокопрочного чугуна ВЧ 75-50-03.

Установлено, что, несмотря на различие в технологических условиях реализации выглаживания алмазным индентором и широким самоустанавливающимся инструментом, максимальная расчетная температура нагрева контактной области в обоих случаях находится на одном уровне, в среднем, не превышая температурного порога в 300 єС.

Были проведены измерения температур при выглаживании методом естественной термопары. Результаты испытаний показали удовлетворительное соответствие результатам теоретических расчетов.

После обработки результатов измерений они были аппроксимированы степенной зависимостью:

. (12)

а) б)

Рис. 12 Температура при широком выглаживании (средняя по площадке контакта): сталь 40; а) Р=56 Н/мм; б) Р=120 Н/мм; 1 - расчетная; 2 - экспериментальная

Выявление тепловой картины широкого выглаживания позволяет выработать технологические ограничения на процесс обработки с точки зрения двух факторов. Во-первых, для предотвращения возможных негативных структурно-фазовых превращений в поверхностном слое выглаживаемой детали с последующим снижением ее качества и эксплуатационной надежности. И, во-вторых, для уменьшения интенсивности изнашивания инструмента, особенно при отсутствии благоприятного влияния СОТС.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, необходимых для назначения рациональных условий работы инструмента при выглаживании без охлаждения.

В качестве основного критерия выбора рациональных условий широкого выглаживания была использована шероховатость обработанной поверхности деталей, которая обеспечивается за период стойкости инструмента. Стойкость инструмента для выглаживания была классифицирована как время его непрерывной работы, за период которого он приходит в функционально непригодное состояние. Такое состояние может быть идентифицировано как необратимые изменения топографии рабочей поверхности инструмента через площадь износа.

Для определения площадки износа отработанного выглаживателя была предложена специальная методика, которая основана на цифровой обработке поверхностей с разной отражательной способностью, характерных для исходного и изношенного состояний.

Методика количественной оценки площади изношенной поверхности инструмента включает в себя следующие этапы:

1. Цифровое фотографирование рабочей поверхности инструмента на специальном стенде.

2. Обработка растрового изображения рабочей поверхности инструмента в графическом редакторе Adobe Photoshop с целью увеличения контрастности и подготовки цифровой фотографии рабочей поверхности выглаживателя к определению фактического пятна контакта износа в программе IZNOSOMER.

3. Определение фактического пятна износа выглаживателя осуществляется с помощью разработанного специального программного продукта IZNOSOMER.

Исследование влияния параметров технологического цикла выглаживания на шероховатость обработанной поверхности. Процессу выглаживания подвергались образцы, изготовленные из материалов: сталь 40 и высокопрочный чугун ВЧ 75-50-03. Образцы предварительно обрабатывались шлифованием. Исходная шероховатость у образцов из стали 40 Ra = 0,5 мкм, из чугуна Ra = 0,85 мкм.

Результаты математического моделирования позволили дифференцировать разработанные регрессионные модели по циклам выглаживания:

шероховатость образцов из стали 40:

для 4 циклов

для 6 циклов

для 10 циклов

Шероховатость образцов из чугуна ВЧ75-50-03:

для 4 циклов



для 6 циклов

для 10 циклов

В графическом виде полученные математические модели связи для различных усилий и циклов выглаживания образцов из исследованных материалов показаны на рис. 13.

Обращает внимание, что при выглживании образцов из стали 40 и высокопрочного чугуна ВЧ 75-50-03 для всех 3 исследованных циклов выглаживания наблюдается экстремальный характер связи шероховатости обработанной поверхности с усилием на выглаживатель.

Экспериментами установлено, что минимальные значения шероховатости обработанной поверхности по величине Ra имеют место при значениях Р = 210 Н/мм для стали 40 и при Р = 410 Н/мм для чугуна ВЧ 75-50-03 независимо от количества циклов выглаживания. Такая закономерность дает основание предположить, что на формирование шероховатости обработанной поверхности оказывает влияние время обработки и давленеи на выглаживаемую поверхность, следовательно, причина заключается в механизме пластической деформации.



а) б)

Рис. 13 Зависимость шероховатости выглаженного образца из стали 40 (а) и чугуна ВЧ 75-50-03 (б) от погонного усилия при различных циклах нагружения: 1 - при 4 циклах; 2 - при 6 циклах; 3 - при 10 циклах

Выбор инструментальных материалов для широкого выглаживания. Для исследования были отобраны следующие синтетические сверхтвердые материалы: композит 05ИТ, лейкосапфир, ниборит (томал 10).

На рис. 14,а представлена полученная экспериментальная зависимость шероховатости поверхности детали из стали 45 от длины пути, пройденного инструментом для инструментальных материалов: композит 05ИТ, лейкосапфир, ниборит, а на рис. 14,б - зависимость шероховатости поверхности детали из чугуна ВЧ 65-50-03 от длины пути, пройденного инструментом из композита 05.

В результате проведенных исследований выяснили, что наибольшую стойкость при обработке стали 45 имеет сверхтвердый материал ниборит (томал 10), его стойкость составляет 6,3 км. Стойкость для остальных материалов при обработке стали 45 составляет для лейкосапфира 2,3 км, для композита 05ИТ - 4,4 км.

Выбор конкретного инструментального материала необходимо осуществлять из экономических соображений для каждого материала обрабатываемой детали.

Эксперименты также показали, что работоспособность выглаживателя повышается при использовании твердого сплава с уменьшенной дисперсностью карбидной фазы. Нанесение износостойких покрытий, выполненное в данной работе, не дало ощутимого прироста стойкости твердосплавных инструментов.

а) б)

Рис. 14 Зависимость шероховатости образца при выглаживании от длины пути, пройденного инструментом из различных материалов.

В производственных условиях проведен двухфакторный эксперимент, который моделировал совместное и взаимосвязанное влияние усилия выглаживания и числа циклов нагружения на качество обработки сальниковых шеек коленчатых валов из высокопрочного чугуна. Результаты оказались адекватными закономерностям, установленным в лабораторных условиях.

Сравнение результатов экспериментальных исследований и расчетов по энергетической модели изнашивания. Была выполнена сравнительная оценка данных по размерам площадок износа рабочих поверхностей выглаживателей из различных инструментальных материалов, которые были получены экспериментально и расчетным путем по энергетической модели изнашивания.

На рис. 15 представлены зависимости площади износа от пройденного пути инструмента в процессе обработки. Кривые 1 и 3 получены экспериментальным путем согласно методике, приведенной в главе 3. Критическое значение площади износа S_критич определялось как состояние инструмента, не способного обеспечить в процессе обработки необходимой шероховатости (при необходимой R_a = 0,4 мкм, S_критич = 2,5 мм²).

Кривая 2 получена теоретическим способом при решении энергетической модели, представлен-ной во второй главе, при этом эмпирический коэффициент стойкости К_{стойкости} = 0,375·10^-2).

Кривая 3 получена теоретическим путем с помощью энергетической модели для новой группы инструментальных материалов H10F после внесения в нее необходимых эмпирических коэффициентов при построении кривой 2. Из графиков видно, что погрешность между экспериментальными и расчетными площадками износа не велика (менее 20%), при этом кривые износа соответствуют классическим, и состоят из трех основных этапов: приработка, нормальная работа, катастрофический износ.

...