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

Рис. 15 Кривые зависимости площади износа от пройденного пути инструмента в процессе широкого выглаживания

По результатам сравнительной оценки данных, полученных расчетным и экспериментальным путем, можно признать их совпадение хорошим. Например, если сравнивать размеры площадок износа рабочей поверхности выглаживателей из различных инструментальных материалов, рассчитанных по энергетической модели изнашивания и полученных измерением в реальных условиях выглаживания, то разница между ними не превышает 25%, в среднем составляя 9,3% по результатам измерений в 5 различных режимах выглаживания.

Технологические особенности выглаживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Вскрыты технологические особенности процесса широкого выглаживания высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (на примере чугуна ВЧ 75-50-03), который отличается низкой пластичностью, повышенной твердостью и узким диапазоном напряжений деформирования от упругой деформации до его разрушения.

На рис. 16 показаны микрофотографии обработанной поверхности коленчатого вала из высокопрочного чугуна после широкого выглаживания и

полирования абразивной лентой. С точки зрения микрогеометрии поверхности и необходимости ее приработки на начальном этапе изнашивания обработка выглаживанием оказалась более предпочтительной, чем полирование.

При выбранных условиях выглаживания поверхностный слой деталей из высокопрочного чугуна имеет незначительное упрочнение - по степени наклепа увеличение до 10% при глубине наклепа 4…6 мкм.

Исследование процесса широкого выглаживания на образцах из закаленной цементированной стали 18ХГТ. Установлено, что для выглаживания деталей из цементированной закаленной стали 18ХГТ целесообразно использовать выглаживатели с рабочей частью из поликристаллических пластин композита 05 с радиусом 2 мм, который при оптимальных условиях нагружения обеспечивает шероховатость обработанной поверхности до Ra = 0,05 мкм без признаков ее перенаклепа. В случае, когда возрастает исходная шероховатость поверхности перед выглаживанием необходимо увеличить давление на инструмент.

а) б)

Рис. 16 Поверхность после обработки выглаживанием (а) и полированием (б) х300

Обработка результатов экспериментов позволила получить эмпирическую зависимость для расчета ориентировочного значения оптимальной силы выглаживания:

,

где: НV - твердость заготовки по Виккерсу; N - число циклов нагружения; Ra - исходная шероховатость, мкм; R - радиус цилиндрической поверхности инструмента, мм; l - ширина обрабатываемой поверхности, мм.

В пятой главе представлены результаты разработки конструктивных схем устройств для широкого выглаживания, испытания эксплуатационной надежности деталей, обработанных по новой технологии, и ее внедрения в массовое производство.

В процессе производственных испытаний и внедрения предложены и исследованы различные конструктивные схемы устройств для широкого выглаживания кулачковых валов. Разработана специальная методика и проведены экспериментальные испытания деталей, обработанных по новой технологии. Производственные испытания показали, что износостойкость (по среднему значению площади канавки износа) упрочнительных узлов шпинделей после выглаживания увеличилась на 63% в сравнении с обработкой шлифованием.

В настоящее время технология широкого выглаживания без охлаждения и соответствующий комплекс инструмента и оборудования успешно внедрены в условиях массового производства коленчатых валов автомобилей с годовой программой выпуска 530 тыс. штук.

Новая технология выглаживания широким инструментом реализована на специальном станке для обработки, например, подманжетных шеек коленчатого вала двигателя автомобиля ВАЗ 2112. В качестве инструмента для выглаживания предложен широкий самоустанавливающийся индентор с рабочей частью, выполненной в виде вставки из твердого сплава.

Внешний вид станка и технологическая наладка для обработки подманжетных шеек коленчатого вала автомобиля 2112 выглаживанием широким самоустанавливающимся инструментом показан на рис. 17 и 18 В табл. 2 представлены характеристики модернизированного станка.

Рабочая часть широкого индентора имеет цилиндрическую форму, а длина ее больше или равна длине обрабатываемой поверхности, причем ось индентора располагается параллельно оси изделия. Таким образом, зона деформации обрабатываемой поверхности имеет значительную протяженность (десятки миллиметров), что требует значительных рабочих усилий при обработке. Кроме того, чем больше диаметр обрабатываемой поверхности, тем большее усилие необходимо для создания напряжений, достаточных для пластической деформации поверхностного слоя. Так при обработке коленвала из чугуна ВЧ 75-50-03 на диаметре 80 мм понадобилось усилие около 10000 Н. Такое усилие может вызвать недопустимые нагрузки на деталь и узлы станка. Поэтому принято решение обрабатывать каждую поверхность одновременно с двух сторон в диаметрально противоположных направлениях, что позволяет замыкать усилия на обрабатываемой шейке и не передавать его на другие узлы.

Коленчатый вал обрабатывается на станке-автомате, в котором загрузка изделия в рабочую зону производится снизу. Это определяет вертикальное расположение рычажной системы инструментального модуля.

Рис. 17 Специальный станок для широкого выглаживания

Рис. 18 Технологическая наладка операции широкого выглаживания

Таблица 2. Технические характеристики станка и параметры для выглаживания без охлаждения широкими самоустанавливающимися инструментами подманжетных шеек коленчатого вала автомобиля 2112

Специальный станок также разработан и внедрен на операции широкого выглаживания подманжетных шеек коленчатого вала двигателя автомобиля ВАЗ 2110.

Многолетними испытаниями деталей автомобилей производства ОАО «АВТОВАЗ» установлено, что после выглаживания количество дефектов «течь сальника» в период гарантийной эксплуатации снизилось в 3 раза.

Разработанные рекомендации по использованию технологии выглаживания без применения смазочно-охлаждающих технологических сред переданы для практического применения на ОАО «ГАЗ», ОАО «КАМАЗ», СНТК им. Н.Д. Кузнецова, ЗАО «ТЗА», ОАО «ВНИИинструмент» и др.

Основные выводы и результаты

1. В диссертации решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в разработке комплекса технических решений, направленных на повышение эффективности и экологической безопасности процессов финишной обработки деталей в условиях массового производства на основе применения новой высокопроизводительной технологии выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом без применения смазывающе-охлаждающих технологических сред.

2. Впервые разработаны и реализованы оригинальные технологические схемы, конструкции инструментов и технических устройств для широкого выглаживания деталей из конструкционных сталей и высокопрочных чугунов с машинным временем обработки 6…10с, что позволило заменить ранее применявшуюся технологию шлифования абразивными лентами с охлаждением керосином. По сравнению с другим возможным альтернативным методом выглаживания алмазным индентором с точечным контактом и продольной подачей инструмента новый процесс широкого выглаживания твердосплавным инструментом позволяет увеличить производительность обработки однотипных деталей до 75 раз.

Новизна и оригинальность технических решений подтверждена 6 авторскими свидетельствами на изобретения и 5 патентами РФ.

3. Для комплексного теоретического анализа условий протекания процесса широкого выглаживания и прогнозирования его результатов впервые разработана методика, в которой на единой основе алгоритмизации и программного обеспечения выявлено влияние условий контактирования инструмента с обрабатываемой поверхностью детали, нагрева и изнашивания рабочей поверхности выглаживателя, что позволяет обеспечить заданную его работоспособность.

4. Критерий стойкости инструмента определяется его функциональным назначением выглаживания в качестве метода преимущественного улучшения шероховатости обрабатываемой поверхности детали. При необеспечении заданных требований по высоте микронеровностей на обработанной поверхности (например, по величине параметра Ra) выглаживающий инструмент признается как непригодный к дальнейшей работе.

5. Процесс изнашивания инструмента в работе рассматривается как трансформация микрогеометрической топографии его рабочей поверхности в результате адгезионного взаимодействия двух металлических тел в условиях сухого трения скольжения с применением эффекта аппликации. Сущность этого эффекта заключается в наложении микрорельефа рабочей поверхности выглаживателя при накатывании на обрабатываемую поверхность детали с сопутствующим процессом пластического течения приповерхностного слоя, что позволяет прогнозировать стойкость инструмента.

6. 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, показала хорошие совпадения площади износа выглаживателя: максимальная разница составляет 25% при средней ошибке 9,3%.

7. 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.

8. Проведенные исследования позволили установить рациональные условия широкого выглаживания с назначением его основных технологических параметров: действующего усилия, количества циклов обработки и инструментального материала рабочей части выглаживателя. Выявлен экстремальный характер связей шероховатости обработанной поверхности с давлением на нее и временем обработки сталей и чугунов и разработаны регрессионные модели для практического использования.

9. В настоящее время технология широкого выглаживания без охлаждения и соответствующий комплекс инструмента и оборудования успешно внедрены в условиях массового производства коленчатых валов автомобилей с годовой программой выпуска 530 тыс. штук.

10. Испытания показали, что износостойкость уплотнительных узлов шпинделей после широкого выглаживания увеличилась на 63% в сравнении с обработкой шлифованием. Многолетними испытаниями деталей автомобилей производства ОАО «АВТОВАЗ» установлено, что после выглаживания количество дефектов «течь сальника» в период гарантийной эксплуатации снизилось в 3 раза.

Основные положения диссертации отражены в работах

Монография

Бобровский Н.М. Разработка научных основ процесса обработки деталей поверхностно-пластическим деформированием без применения смазочно-охлаждающих жидкостей. Монография. // Тольяттинский Государственный Университет, Тольятти, 2008. - 170с.

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

Бобровский Н.М. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом: полирование или выглаживание // Автомобильная промышленность, 2003, №8, с. 33…34.

Бобровский Н.М. Выглаживание как способ повышения долговечности пар «сальник-вал». // Автомобильная промышленность, 2003, №9, с. 30…33.

Бобровский Н.М. Температура и ее измерение при широком выглаживании // Автомобильная промышленность, 2003, №12, с. 27…29.

Бобровский Н.М., Мельников П.А. Стойкость твердосплавного выглаживающего инструмента при работе без СОЖ. // Автомобильная промышленность, 2004, №8, с. 33…35.

Бобровский Н.М., Хамидуллова Л.Р. Конкурентоспособный автомобиль. Технология изготовления. // Автомобильная промышленность, 2004, №9, с. 31…33.

Бобровский Н.М., С.И. Барабанов, Н.Н. Максименко, И.Н.Бобровский Оценка качества методов обработки ППД без применения смазочно-охлаждающих жидкостей // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук. Выпуск 6, 2008г. с. 37…44.

Бобровский Н.М., В.А. Вильчик, В.В. Бокк, И.Н.Бобровский Разработка научных основ безсожевой технологии обработки // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук. Выпуск 6, 2008г. 13…22.

Бобровский Н.М., В.А. Вильчик, В.В. Бокк, И.Н. Бобровский Распределение температур при выглаживании широким самоустанавливающимся инструментом // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук. Выпуск 6, 2008г. с. 22…30.

Бобровский Н.М., С.И. Барабанов, Н.Н. Максименко, И.Н. Бобровский Технические решения, применяемые при обработке ППД широкими самоустанавливающимися инструментами // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук. Выпуск 6, 2008г. с. 30…37.

Бобровский Н.М. Разработка и освоение технологии выглаживания без применения смазочно-охлаждающих технических сред // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук. Выпуск 10, 2008г. с. 236-242.

Патенты, информационные карты, алгоритмы

Бобровский Н.М., О.С. Черненко, А.Н. Резников, В.В. Яковлев Устройство для обработки деталей поверхностным пластическим деформированием А.C. 1333485.; Бюлл. изобр. №.32,1986.

Бобровский Н.М., О.С. Черненко, А.Н. Бубнов, Манжетное уплотнение. А.C. 1352128. Бюлл. изобр.№.42 ,1987.

Бобровский Н.М., О.С. Черненко, Дорн А.с. 1355466. Бюлл. изобр.№.44,1987.

Бобровский Н.М., О.С. Черненко, А.Н. Резников, Способ обработки поверхностным пластическим деформированием А.с. 1362612. Бюлл. изобр. №48, 1987.

Бобровский Н.М., О.С. Черненко, С.Н. Голицын А.с. 1539049. Способ обработки поверхностным пластическим деформированием кулачков Бюлл. изобр. №.4,1989.

Бобровский Н.М., О.С. Черненко, А.Н. Резников, А.с. 1563954. Способ обработки поверхностным пластическим деформированием. Бюлл. изобр. №.18,1990.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Селиванов А.С. Инструмент для обработки цилиндрических поверхностей деталей выглаживанием. Решение о выдаче патента № 2004132672.

Бобровский Н.М., В.А. Вильчик, Бокк В. В., Н. Н. Максименко, П. А. Мельников, М. В. Гомельский, И. Н. Бобровский Патент РФ №2348502 Устройство для обработки выглаживанием наружных поверхностей вращения.

Бобровский Н.М., В.А. Вильчик, Бокк В. В., Н. Н. Максименко, П. А. Мельников, М. В. Гомельский, И. Н. Бобровский Патент РФ №2348503 Инструмент для обработки выглаживанием наружных поверхностей вращения.

Бобровский Н.М., В.А. Вильчик, Бокк В. В., Н. Н. Максименко, П. А. Мельников, М. В. Гомельский, И. Н. Бобровский Патент РФ №2348504 Устройство для обработки поверхностным пластическим деформированием.

Бобровский Н.М., В.А. Вильчик, Бокк В. В., Н. Н. Максименко, П. А. Мельников, М. В. Гомельский, И. Н. Бобровский Патент РФ №2348501 Способ обработки поверхностным пластическим деформированием поверхностей деталей машин.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Алгоритм решения систем нелинейных уравнений численным методом. Отраслевая регистрация (ОФАП) № 1906; Госрегистрация № 50200200165.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Алгоритм моделирования поверхности с заданными параметрами шероховатости. Отраслевая регистрация (ОФАП) № 3344; Госрегистрация № 50200400310.

Публикации в других изданиях

Бобровский Н.М. Безсожевая обработка поверхностей деталей автомобиля выглаживанием. // Наука производству, М. 2003, №11, с. 20…22.

Бобровский Н.М. Исследование стойкости инструментальных материалов методом широкого выглаживания // Наука производству, М. 2004, №8, с. 18…19.

Бобровский Н.М., Резников А.Н., Черненко О.С., Алексеенко А.Ф., Живоглядов Н.И. «Разработка и внедрение отделочно-упрочняющей обработки шпинделей технологического оборудования методом поверхностного пластического деформирования» // Отчет по научно-исследовательской работе № гос.регистрации 01860087016, Тольяттинский политехнический институт. Тольятти, 1987.

Бобровский Н.М., Резников А.Н., Черненко О.С. «Высокопроизводительный способ обработки поверхностным пластическим деформированием» Пути интенсификации процессов абразивно-алмазной и упрочняющей обработки деталей, двигателей и агрегатов. // Труды отраслевой научно-технической конференции. Куйбышев,1988

Бобровский Н.М., Резников А.Н., Черненко О.С. «Отделочно-упрочняющая обработка цилиндрическим самоустанавливающимся инструментом» // Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин. Сборник трудов межреспубликанской научно-технической конференции. Волгоград, 1989.

Бобровский Н.М., Резников А.Н., Черненко О.С. «Отделочно-упрочняющая обработка цилиндрическим самоустанавливающимся инструментом» // Интенсификация производства и повышение качества изделий поверхностным пластическим деформированием. Материалы областной научно-технической конференции.Тольятти,1989

Бобровский Н.М.,Черненко О.С., Голицин С.Н., Щербаков С.А. « Исследование и внедрение в производство процесса выглаживания кулачковых валов топливных насосов дизельных двигателей» // Отчет по научно-исследовательской работе № гос.регистрации 01880071559, Тольяттинский политехнический институт. Тольятти, 1989

Бобровский Н.М., Гордеев А.В. « Синтез схем поверхностно-пластического деформирования» // Инженерно-педагогические инновации. Инновационные подходы к решениям проблем техносферы, экономики, медицины и философии. Сб. науч. трудов .Тольятти, 1998

Бобровский Н.М., Косяков А.А. «Повышение долговечности сальниковых шеек валов автомобилей» // Межвузовский сборник научных трудов III всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза,2000

Бобровский Н.М., Косяков А.А. «Повышение долговечности сальниковых шеек валов автомобилей» // Межвузовский сборник научных трудов III всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза,2000

Бобровский Н.М. «Особенности обработки высокопрочного чугуна выглаживанием» // Межвузовский сборник научных трудов всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития автомобильного транспорта», Тольятти, ТолПИ,2000

Бобровский Н.М. «Система автоматического проектирования деталей и узлов автомобиля , получаемых механической обработкой» // Межвузовский сборник научных трудов всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития автомобильного транспорта», Тольятти, ТолППИ,2000

Бобровский Н.М., Д.В. Вострокнутов, А.В.Гордеев «Способ обработки поверхностным пластическим деформированием» // Межвузовский сборник научных трудов «Наука, техника, образование города Тольятти и Волжского региона», выпуск 4, часть2, Тольятти, 2001г.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Технологическое управление качеством и эксплуатационными свойствами деталей // Труды VI Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем». Т. I - Ростов на Дону: ДГТУ, 2001. - С. 238…245

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. САПР процесса обработки поверхностей деталей // Труды IV Международной конференции «Интерактивные системы: Проблемы человека компьютерного взаимодействия». - Ульяновск: УлГТУ, 2001. - С. 168…169.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Экспериментальные исследования процесса обработки выглаживанием широким самоустанавливающимся инструментом в производственных условиях // Труды Всероссийской конференции с международным участием «Прогрессивные техпроцессы в машиностроении». - Тольятти: ТГУ, 2002. - С. 30…34.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Эволюционно-генетический подход при создании САПР технологического процесса. // «Динамика систем, механизмов и машин». Материалы IV Международной научно-технической конференции - ОмГТУ, г. Омск, 2002.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Анализ влияния окончательной обработки поверхностей, входящих в трибологическую систему, на долговечность и износостойкость деталей машин // Материалы IV Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин». - Омск: ОмГТУ, 2002. - С. 103…105.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Экспериментальное исследование возможности обработки без СОЖ поверхностно-пластическим деформированием // Труды Всероссийской научно-техничес--кой конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». - Тольятти, 2003. - С. 384…387.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Хамидуллова Л.Р. Разработка экологически безопасного процесса обработки поверхностно-пластическим деформированием // Сборник научных трудов Первой международной научной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELIPT-2003». - Тольятти: ТГУ, 2003. - С. 87…92

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Быков Р.Н. Исследование стойкости выглаживающего инструмента из твердого сплава от размера зерна. // Сборник трудов Всероссийской научно-техничес--кой конференции «Современные тен-ден-ции развития автомобилестроения в России». Т. 4. - Тольятти, 2004. - С. 215…218.

Мельников П.А., Бобровский Н.М. Повышение стойкости выглаживающего инструмента при безсожевой обработке // Сборник трудов Первого международного экологического конгресса (Третьей международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT-2007. - 20-23 сентября 2007., г. Тольятти, 2007 . - Т. III. - С. 233…240.

Бобровский Н.М., Мельников П.А., Соболев А.А. Исключение риска пожароопасности техногенных комплексов, использующих масляные смазочно-охлаждающие технологические средства // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Проведение научных исследований в области машиностроения» - 27-28 ноября, г.Тольятти, 2009г. - Т. III - С. 124-130.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Бобровский Николай Михайлович.

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

Подписано в печать

Формат

Усл. печ. л. Тираж Заказ

Отпечатано в издательском центре ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин»

127055, Москва, Вадковский пер. 3-а.

Размещено на Allbest.ru