Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современного машиностроения, приборостроения и многих других отраслей промышленности невозможно без применения синтетических полимерных материалов. Это обусловлено тем, что пластические материалы обладают высокой удельной прочностью, превосходящей традиционные конструкционные материалы как стали, чугуны, латуни, бронзы, высокой химической стойкостью и антифрикционной способностью.
Несмотря на очевидные преимущества полимерных материалов, при изготовлении деталей из пластмасс современными методами (литье под давлением, прессование, экструзия) происходит изменение их размерно-геометрических параметров, связанное с усадкой материала во время затвердения и охлаждения, и зачастую не обеспечиваются требуемые параметры качества функциональных поверхностей детали, что приводит к необходимости дополнительной механической обработки, преимущественно токарной, от качества которой в значительной степени зависит надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.
Наличие у полимерных материалов специфичных свойств обуславливает резкое отличие процессов их механической обработки от процессов резания металлов, при этом эффективность методов обработки резанием в основном зависит от режимов обработки и параметров режущего инструмента. Однако на практике имеются большие затруднения с достижением требуемого качества обработанной поверхности деталей из полимерных материалов на основе обычных методов обработки и рекомендуемых в литературе режимов резания.
Таким образом, задача повышения эффективности обработки заготовок из полимерных материалов резанием является актуальной для современного машиностроения, так как ее решение позволит повысить качественные характеристики изготавливаемой продукции и снизить себестоимость ее изготовления.
Актуальность темы диссертации подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках грантов Тихоокеанского государственного университета (грант № 3.08. «Разработка и исследование новых комбинированных методов механической обработки полимерных материалов для обеспечения высокого качества обработанной поверхности изделий», грант №01.10 «Разработка и изготовление устройства опережающей обработки заготовок из полимерных материалов путем поверхностного деформирования с целью повышения качества обработанной точением поверхности деталей») и по специальному заказу ОАО «Дальэнергомаш» (договор № 04-03/217/08 от 15 сентября 2008 г. «О научно-техническом сотрудничестве между Тихоокеанским государственным университетом и ОАО «Дальэнергомаш»).
Цель работы – исследование и установление взаимосвязи между режимами резания, параметрами предварительного обкатывания заготовок и геометрическими характеристиками обработанной поверхности деталей для повышения качества токарной обработки полимерных материалов.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Исследование взаимосвязи между параметрами предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов и значениями силы резания при точении.
2. Разработка и обоснование технологического способа обработки заготовок из полимерных материалов, заключающегося в предварительном обкатывании заготовки с последующим точением, реализующемся непосредственно сразу после обкатывания, с целью достижения высокого качества.
3. Проектирование, изготовление и использование в экспериментальных исследованиях специального устройства, конструкция которого позволяет реализовать операцию обкатывания заготовки, непосредственно перед операцией ее точения.
4. Экспериментальное исследование взаимосвязи между режимами токарной обработки полимерных материалов и геометрическими параметрами качества обработанной поверхности деталей с учетом предварительного обкатывания заготовки.
Объект исследования. Процесс механической обработки заготовок из полимерных материалов.
Предмет исследования. Взаимосвязи между параметрами предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов, режимами токарной обработки полимерных материалов и геометрическими параметрами качества обработанной поверхности деталей.
Область исследований. Содержание диссертации соответствует п.2 «Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий» паспорта научной специальности 05.07.02 – «Технология и оборудование механической и физико- технической обработки» (технические науки).
Научная новизна работы:
1. Установлены характер изменения силы резания и процесса стружкообразования при точении полимерных материалов после предварительного обкатывания при различных значениях усилия обкатывания заготовок, а именно:
- с увеличением усилия обкатывания заготовок от 0 до 3кН из фторопласта-4, капролона В, гетинакса 1 и текстолита ПТ имеет место снижение силы резания в 1,5-3 раза во всем диапазоне реализуемых подач;
- с увеличением усилия обкатывания заготовок от 0 до 3кН из фторопласта-4 и капролона В происходит трансформация стружки от сливной к стружке скалывания.
2. Разработан и обоснован способ обработки полимерных материалов на основе предварительного обкатывания заготовок и последующим их точением; реализация операции предварительного обкатывания приводит к снижению прочности поверхностного слоя, что является предпосылкой повышения качества в последствии обработанной точением поверхности детали; при этом снижение прочности исходных заготовок подтверждается результатами испытаний на влагопоглощение и прочность при растяжении:
- применение предварительного обкатывания заготовок приводит к снижению прочности при растяжении исследуемых материалов на 8,5-12%;
- применение предварительного обкатывания заготовок обеспечивает повышение влагопоглощения исследуемых материалов на 12-14 %.
3. Впервые получены экспериментальные данные, позволяющие установить взаимосвязь между режимами резания, параметрами предварительного обкатывания заготовки из полимерного материала и такими показателями качества обработанной поверхности как шероховатость, отклонения формы и твердость, а именно:
- применение предварительного обкатывания заготовок из исследуемых материалов обеспечивает снижение уровня шероховатости обработанной поверхности детали по параметру Ra до 2,5 раз, п параметру Rz до 3 раз и по параметру Rmax до 3,7 раз по сравнению с вариантом обычной токарной обработки во всем диапазоне реализуемых значений глубины резания и продольной подачи;
- имеет место некоторое снижение, в пределах 26-33%, таких показателей формы обработанной поверхности как отклонение от круглости и цилиндричности, а отклонения от прямолинейности имеют примерно равные значения независимо от варианта обработки или снижаются незначительно.
Практическая значимость работы заключается:
- в изготовлении и апробации экспериментальной установки для предварительной обработки заготовки путем обкатывания с целью повышения качества обработанной впоследствии точением поверхности детали; конструкция установки защищена патентом на изобретение (№2438872).
- в получении расчетного выражения для определения глубины резания при токарной обработке заготовок из полимерных материалов с учетом явления упругого последействия материала;
- в разработке научно обоснованных рекомендаций по повышению качества обработанной поверхности полимерных материалов путем выбора параметров предварительного обкатывания заготовки, которые внедрены в производственную деятельность ОАО «Дальэнергомаш» (г. Хабаровск) и ОАО «Дальневосточный научно-исследовательский институт технологии судостроения» (г. Хабаровск).
Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследования, в непосредственном участии в разработке и изготовлении устройства для предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов, в проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных данных, в разработке рекомендаций по выбору режимов резания и параметров предварительного обкатывания заготовок.
Апробация результатов работы:
Основные результаты работы были представлены на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2008г.); на VI международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (г. Омск, 2007г.); на VI международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008г); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (г. Брянск, 2007г.); на VI международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск, 2008г.); на I международной научно-практической конференции «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (г. Курск, 2009г.); на совместном российско-китайском симпозиуме «Modern materials and technologies» (г. Хабаровск, 2009г); на международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях (Якутск, 2009г.); на конференции молодых ученых «Материалы III конкурса конференции молодых ученых ТОГУ» (Хабаровск, 2010г.); на международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2010); на совместном российско-китайском симпозиуме «2010 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies» (г. Харбин, 2010, 2011, 2012гг.); на XIII краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов «Молодые ученые – Хабаровскому краю» (Хабаровск, 2011г.).
Результаты исследований легли в основу разработки «Способы механической обработки заготовок из полимерных материалов для повышения качества обработанной поверхности», которая удостоена серебряной медали 9-го Московского международного салона инноваций и инвестиций (2009), а также разработки «Новая технология механической обработки полимерных материалов», которая удостоена серебряной медали Петербургской технической ярмарки в конкурсе «Лучший инновационный проект года (2011).
Публикации. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 20 научных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка используемой литературы и приложений. Диссертация изложена на 132 страницах, включает 58 рисунков и 17 таблиц. Библиографический список составлен из 131 источника наименований.
