Введение к работе
Актуальность темы. Современные машины и оборудование должны обладать хорошими эксплуатационными характеристиками в различных условиях их применения.
Улучшение эксплуатационных характеристик может быть достигнуто как за счет конструктивного совершенствования машин, применения новых конструкционных материалов, использования прогрессивной технологии изготовления деталей, так и за счет разработки новых конструкций инструментов и усовершенствования уже имеющихся.
Традиционно нежесткие детали класса «полые цилиндры» обрабатываются точением с последующим многократным шлифованием и полированием. Однако токарная и абразивная обработка часто нестабильно обеспечивают требуемые параметры качества данных деталей (JT7...S,Ra < О.16... 0.32 мкм) и обладают низкой производительностью, вследствие чего применение данных процессов при изготовлении указанных деталей не является эффективным. Кроме того, применение абразивной обработки ведет к шаржированию зерен в поверхность изделия, что приводит в дальнейшем к развитию усталостных трещин после некоторого числа циклов нагружения детали, т.е. отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках изделия. Также выделяющиеся в процессе абразивной обработки пыль и химические соединения несут угрозу здоровью рабочих, а действующее в такой среде производственное оборудование загрязняется, быстрее изнашивается и выходит из строя.
Применение инструментов и инструментальных систем для комбинированной режуще-деформирующей обработки позволяет повысить точность формы и размеров обрабатываемой нежесткой детали класса «полые цилиндры», обеспечить малую величину шероховатости поверхности, улучшить физико-механические свойства поверхностного слоя детали, вследствие чего будут улучшены эксплуатационные показатели детали и узла механизма в целом, достигнута высокая производительность процесса обработки, снижена ее
себестоимость за счет энерго- и ресурсосбережения и улучшены экологические условия производственного процесса.
Таким образом, разработка новых высокоэффективных и
усовершенствование уже имеющихся конструкций инструментов и
инструментальных систем, реализующих метод комбинированной режуще-
деформирующей обработки, при изготовлении нежестких деталей класса «полые цилиндры» с возможностью применения их для различных типов производств – является актуальной задачей, имеющей важное научное и практическое значение.
Степень разработанности. Известные конструкции инструментов и
инструментальных систем для КРДО не обладают в достаточной мере
свойствами, предъявляемыми к системам с равновесным силовым состоянием.
Это обусловлено такими факторами, как: высокие радиальные нагрузки,
недостаточная жесткость элементов представленных инструментов и
инструментальных систем, отсутствие силовой взаимосвязи между режущими и
деформирующими частями инструментов в начале и в конце обработки;
колебание жесткости подсистемы «деталь – инструмент» по длине обработки и
т.д. Эти недостатки не позволяют обеспечить силового замыкания в подсистеме
«деталь-инструмент» и ведут к снижению точности и качества обработки,
возникновению поперечных колебаний, в результате чего качество обработки
снижается. Таким образом, известные конструкции инструментов и
инструментальных систем для КРДО не в полной мере являются эффективными.
Научная задача: создание новых и совершенствование уже известных конструкций инструментов и инструментальных систем для КРДО нежестких деталей класса «полые цилиндры» для повышения эффективности работы данных инструментов с целью обеспечения заданных параметров качества и производительности обработки.
Цель работы: повышение производительности и экологичности процесса обработки нежестких деталей класса «полые цилиндры» с одновременным снижением энерго- и ресурсопотребления и себестоимости изготовления
подобных деталей, а также выведение рабочих из зоны с опасными и вредными производственными факторами при обеспечении требуемых параметров качества. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ статических и динамических характеристик инструментальной системы для КРДО, которые оказывают влияние на параметры качества обработки.
-
Разработать классификацию влияния характеристик инструментальной системы для КРДО на параметры качества нежестких деталей класса «полые цилиндры».
-
Разработать конструкцию инструментальной системы для КРДО нежестких деталей класса «полые цилиндры», обеспечивающую повышение производительности и экологичности процесса обработки данных деталей с одновременным снижением энерго- и ресурсопотребления а также себестоимости изготовления деталей при обеспечении требуемых параметров качества.
-
Разработать математическую динамическую модель образования погрешности в инструментальной системе для КРДО нежестких деталей класса «полые цилиндры».
-
Выполнить экспериментальную проверку разработанной модели на адекватность получаемых результатов.
Объект исследования: инструментальная система для комбинированной
режуще-деформирующей обработки нежёстких деталей касса «полые
цилиндры».
Предметы исследования: процессы комбинированной обработки резанием и поверхностным пластическим деформированием нежёстких деталей касса «полые цилиндры», а также исследования технологических параметров обработки в инструментальной системе для КРДО означенных деталей и влияние элементов конструкции инструментальной системы для КРДО на погрешность обработки детали в данной системе.
Научная новизна состоит в:
проведении анализа статических и динамических характеристик данной инструментальной системы для комбинированной режуще-деформирующей обработки, которые оказывают влияние на точностные параметры качества обработки;
выявлении влияния деформации поперечного сечения нежёсткой детали класса «полые цилиндры» под воздействием перерезывающей силы в зависимости от толщины стенки детали на погрешность обработки в инструментальной системе для КРДО;
разработке классификации влияния характеристик усовершенствованной инструментальной системы для комбинированной режуще-деформирующей обработки на параметры качества нежестких деталей класса «полые цилиндры»;
установления механизма влияния характеристик инструментальной системы для КРДО на параметры качества и процесс обработки.
выявлении зависимости погрешности обработки в инструментальной системе для КРДО нежёстких деталей класса «полые цилиндры» от технологических параметров обработки;
выявлении взаимосвязи погрешности обработки в инструментальной системе для КРДО и жесткостных характеристик заготовки и обрабатывающей головки данной инструментальной системы;
выявлении взаимосвязи погрешности обработки в инструментальной системе для КРДО и толщины стенки нежёсткой детали класса «полые цилиндры»;
разработке математической динамической модели образования погрешности в инструментальной системе для КРДО нежестких деталей класса «полые цилиндры», устанавливающей взаимосвязь элементов данной инструментальной системы и погрешности обработки указанных деталей.
разработке алгоритма и программы вычисления получаемой погрешности обработки нежесткой детали класса «полые цилиндры» по построенной
математической динамической модели образования погрешности в
инструментальной системе для КРДО;
Теоретическая значимость. Разработанная динамическая математическая модель процесса образования погрешности обработки в инструментальной системе для КРДО нежестких деталей класса «полые цилиндры» отличается от известных ранее наличием составляющей, характеризующей деформацию поперечного сечения детали под воздействием перерезывающей силы. Также модель позволяет установить взаимосвязь между прогибом из-за поперечных колебаний оси детали и погрешностью обработки. Данная модель учитывает начальные несовершенства заготовки, полученные на предыдущей операции, и погрешности взаимоположения конструктивных элементов инструментальной системы для КРДО, а также дает возможность определить влияние на погрешность обработки указанных ниже параметров инструментальной системы для КРДО и технологических факторов:
коэффициент жесткости упругой системы, интерпретирующей обрабатывающую головку инструментальной системы для КРДО;
погрешность установки и настройки инструментальной системы для КРДО;
-физико-механические и геометрические характеристики обрабатываемой нежесткой заготовки и ее материала;
частота вращения обрабатываемой заготовки,
скорость подачи обрабатывающей головки инструментальной системы для КРДО;
- глубина резания.
Практическая ценность данной работы состоит в разработке конструкции инструментальной системы для КРДО нежёстких деталей класса «полые цилиндры» и рекомендаций по подбору технологических режимов КРДО нежёстких деталей класса «полые цилиндры», необходимых для получения требуемых параметров изделия.
Методы исследования. Проводимые теоретические исследования
основаны на использовании соответствующих разделов теории колебаний,
дифференциальных уравнений, методов вариации произвольных постоянных, частичного усреднения и разделения переменных, основных положений динамики станков, технологии машиностроения, теории размерных цепей, теории вероятностей и математической статистики, аналитического моделирования на персональном компьютере. Экспериментальные исследования были проведены на действующем технологическом оборудовании в лабораторных и реальных производственных условиях по представленным в работе методикам с обработкой полученных данных на ЭВМ, аналитические исследования были произведены на ЭВМ.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
- конструкция инструментальной системы для КРДО нежестких деталей
класса «полые цилиндры»;
- математическая динамическая модель образования погрешности в
инструментальной системе для КРДО нежестких деталей класса «полые
цилиндры»;
- рекомендации по подбору технологических режимов КРДО нежёстких
деталей класса «полые цилиндры», необходимых для получения требуемых
параметров изделия;
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов диссертационной работы обеспечивается обоснованным
использованием общепринятых методов теории резания материалов, теории колебаний, теории упругости и подтверждается согласованностью расчетных и экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях с использованием аттестованных приборов и оборудования. Обработка результатов измерений осуществлялась с помощью статистических методов и специального программного обеспечения.
Материалы диссертационной работы были освещены в рамках научных докладов на Международном научном симпозиуме, посвященном 140-летию МГТУ «МАМИ» (49-я международная научно–техническая конференция ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки
инженерных и научных кадров», секция 7 «Методы обработки, станки и
инструмент», Москва, МГТУ «МАМИ», 23-24 марта, 2005 г.), на Международной
научно–практической конференции «Управление качеством» (Москва,
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), 20-21 ноября, 2013г.), а также на научно–техническом семинаре «Современные технологии и процессы механической и физико–технической обработки» (Москва, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ), кафедра «Автоматизированные станочные системы и инструменты», 26 апреля, 2016 г.). По материалам данной диссертационной работы опубликовано 19 научных работ, в том числе 13 из них – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен один патент на полезную модель.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. По названию и содержанию материалов диссертационная работа соответствует пунктам 2, 3 и 4 раздела «Области исследований» паспорта специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки».
Публикации. Результаты данной диссертационной работы опубликованы в 19 научных работах, из них - 13 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен один патент на полезную модель. Список публикаций по теме диссертационной работы приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 151 наименования и 6 приложений. Диссертация содержит 78 иллюстраций, 42 таблицы и 58 страниц приложений, общий объем работы составляет 281 страницу.