Введение к работе
Актуальность темы. Точность и стабильность геометрических размеров изделий, особенно крупногабаритных, качество поверхностного слоя материалов определяют основные эксплуатационные показатели изделий: работоспособность, ресурс, эффективность последующих технологических операций, ремонтопригодность объектов. Одним из показателей, определяющих точность и стабильность формы изделия, свойства поверхностного слоя, являются остаточные напряжения в заготовках, влияющие на геометрические параметры изделий (особенно, крупногабаритных) в процессе изготовления деталей и в период их' эксплуатации в изделиях, в частности оборудования и средств технологического оснащения. Остаточные напряжения могут вызывать нарушение сплошности материала, его разрушение или длительное изменение геометрии изделий. Механическая обработка заготовки снижает величину и неравномерность напряжений. Однако в ряде случаев экономически нецелесообразно удалять припуск с отдельных участков деталей (например, станин, корпусов, стоек станков), поэтому после локальной обработки поверхностей неравномерность напряжений еще более возрастает по сравнению с теми же показателями у заготовок, и деформация изделий приводит к потере точности и браку деталей. Для снижения коробления изделий используют стабилизирующие операции (например, нормализацию, отжиг), но для подобных операций с крупногабаритными изделиями необходимы большие термические агрегаты, которые могут располагаться на стороне вдали от заказчика. Предприятия, выпускающие специальное оборудование, как правило, не имеют емких печей, а выполнение заказов по изготовлению крупных корпусных деталей на стороне связано со значительными расходами на транспортировку, упаковку, погрузку, термообработку, что вызывает задержки с выпуском продукции, необходимость хранения на складе части комплектов изделий до этапа сборки. Это увеличивает их стоимость и может сделать такое производство неконкурентоспособным.
Для сокращения технологического цикла и более полного использования собственных производственных мощностей оказалось перспективным использование магнитно-импульсного метода воздействия на поверхностный слой литых и сварных заготовок, позволяющего снизить и выровнять остаточные напряжения, вызывающие коробление деталей. Однако при индивидуальных заказах размеры и форма заготовок каждого изделия имеют существенные различия, и нужна длительная корректировка магнитно-импульсных режимов, что для единичных изделий практически не осуществимо. Поэтому требуется теоретическая расчетная база,
экспериментальное обоснование параметров для определения рабочих режимов магнитно-импульсной обработки, мест установки индукторов, минимального количества воздействий для выравнивания напряжений в поверхностном слое материалов и разработки типового технологического процесса изготовления литых и сварных точных базовых деталей оборудования.
Использование нового метода способствует ускорению подготовки производства и сроков освоения специального и серийного отечественного оборудования с привлечением потенциала малых и средних машиностроительных предприятий, повышению качества и конкурентоспособности продукции, что соответствует государственным программам России на перспективу. Направление исследований в области применения магнитно-импульсных воздействий отвечает научному направлению ФГБОУ ВПО «Воронежского государственного технического университета» «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической техники» в соответствии с планом ГБ НИР 2007.015 и является актуальным для современного гибкоструктурного производства. Работа выполнялась в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» (постановление Правительства РФ №568 от 28.07.08)
Целью работы является разработка технологических режимов и процесса стабилизации свойств поверхностных слоев крупногабаритных деталей, обеспечивающих точность и стабильность формы изделий в период их изготовления и эксплуатации, путем применения энергетических магнитно-импульсных воздействий, ускоряющих и локализирующих стабилизацию и адекватно заменяющих многозатратные и длительные методы термообработки на предприятиях машиностроения.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Изучение свойств поверхностных слоев материалов после магнитно-импульсной обработки и обоснование путей получения требуемых характеристик, обеспечивающих стабильность геометрических размеров крупногабаритных деталей в процессе изготовления и установление факторов технологической наследственности в зависимости от способа получения заготовок и конструкции геометрических элементов изделий.
-
Установление закономерностей формирования остаточных напряжений на участках крупногабаритных деталей, подвергшихся магнитно-импульсному воздействию.
-
Исследование точности геометрической формы крупногабаритных деталей в процессе их изготовления и эксплуатации в зависимости от способа получения заготовок и конструкции геометрических элементов изделий.
-
Разработка механизма стабилизации напряжений в процессе магнитно-импульсного воздействия на крупногабаритные заготовки, наиболее часто используемые в современном машиностроении.
-
Расчет технологических режимов магнитно-импульсной обработки для получения стабильных показателей поверхностного слоя и точности крупногабаритных деталей с научно-обоснованным количеством импульсов требуемой энергии, устраняющей нестабильность внутренних напряжений и возможность деформации заготовки.
-
Теоретическое обоснование мест приложения импульсов магнитного поля в процессе стабилизации остаточных напряжений при магнитно-импульсной обработке и разработка технологического процесса магнитно-импульсной стабилизации напряжений в поверхностных слоях деталей, обеспечивающего получение стабильных геометрических размеров крупногабаритных изделий в течение всего периода их использования.
-
Проведение апробации предложенного способа, средств и технологии энергетической магнитно-импульсной обработки в производстве.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются технологические режимы и структура процесса магнитно-импульсной обработки, поверхностный слой деталей. Объект исследований: крупногабаритные чугунные, литые и сварные стальные детали, используемые в станкостроении, оснастке и в основном производстве.
Методы исследования: теоретическое положение процесса магнитно-импульсного воздействия на металлические изделия, теория вибрационных процессов, положения САПР, анализ и синтез инвариантных процессов в поверхностном слое материалов при импульсных электромагнитных воздействиях.
Научная новизна работы включает:
1. Установление закономерностей формирования остаточных напряжений на участках крупногабаритных деталей, подвергшихся магнитно-импульсному воздействию, и разработку механизма формирования геометрических размеров и точности крупногабаритных изделий с учетом технологической наследственности, включая неравномерные начальные внутренние напряжения, и созданного на их
основе способа управления динамической составляющей процесса импульсного воздействия (защищено патентом РФ).
-
Описание механизма . перераспределения остаточных напряжений в поверхностном слое крупногабаритных деталей в процессе магнитно-импульсной обработки и их влияние на стабильность геометрических характеристик деталей на этапах жизненного цикла изделия, отличающееся установлением связей между параметрами энергетических импульсных воздействий и динамикой стабилизации внутренних напряжений с учетом свойств поверхностного слоя материалов в исходном состоянии.
-
Теоретическое обоснование локальных зон приложения импульсов магнитного поля для стабилизации остаточных напряжений при магнитно-импульсной обработке, отличающееся тем, что учитываются энергетические параметры внешнего импульсного воздействия и динамика изменений в процессе обработки поверхностного слоя исходного материала.
Практическая значимость результатов включает:
1 .Технологические режимы и особенности построения технологического процесса магнитно-импульсной обработки крупногабаритных металлических изделий, что обеспечивает стабильность размеров деталей при последующей механической обработке и в период эксплуатации.
2.Разработку требований к оборудованию и инструменту для магнитно-импульсной обработки и рекомендации по его проектированию, что ускоряет технологическую подготовку при освоении производства крупногабаритных изделий на современном техническом уровне.
3.Рекомендации по разработке карт размещения на заготовках индукторов, обеспечивающих возможность ускоренной стабилизации геометрии крупногабаритных деталей при минимальном ресурсопотреблении и сохранение точности размеров на последующих стадиях жизненного цикла изделий.
4.Проверку результатов магнитно-импульсной обработки на базовых деталях оборудования, создаваемого по индивидуальным заказам, что позволяет подтвердить достоверность положений разработанного технологического процесса и обосновать технико-экономическую целесообразность широкого использования магнитно-импульсной стабилизирующей обработки крупногабаритных деталей.
Личный вклад соискателя включает:
1.Разработку закономерностей и механизма получения стабильных геометрических размеров крупногабаритных деталей за счет обоснованных
режимов и размещения на них источников подачи магнитных импульсов с расчетной энергией, обеспечивающей ускорение процесса стабилизации без образования в деталях участков с повышенными или пониженными остаточными напряжениями, выходящими за поле допуска.
2.Предложенный запатентованный новый способ реализации, основанный на формировании магнитных полей в поверхностном слое и обеспечивающий стабилизацию остаточных напряжений без значительного волнового перемещения обрабатываемой поверхности, что позволяет выполнять операцию для крупногабаритных деталей повышенной жесткости и упростить расчет технологических режимов с учетом только свойств материала изделий.
З.Разработку технологических процессов магнитно-импульсной обработки типовых крупногабаритных деталей с минимизацией числа импульсов, что обеспечивает сокращение периода обработки, снижение энергопотребления и повышения ресурса инструмента (излучателя)
4.Разработку рекомендаций по выбору и настройке инструмента, разработку оборудования для магнитно-импульсной стабилизации геометрических размеров и формы типовых деталей с учетом назначения и условий эксплуатации изделий и возможности их эффективного использования для гибкоструктурного производства, в частности отечественного крупногабаритного оборудования.
Участие в апробации и внедрении результатов в производство при изготовлении и восстановлении корпусных деталей оборудования и других изделий по индивидуальным заказам.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены на «Воронежском механическом заводе» - филиале ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева», на ПФК ВСЗ «Холдинг» с годовым экономическим эффектом более 300 тысяч рублей, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конкуренциях: VI международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008), международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008), X международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе» (Орел, 2008), X международной конференции «ЕМ-09» (Польша, 2009), международной научно-технической конференции «ТМ-2010» (Воронеж, 2010), Региональной
научно-технической конференции по двигателестроению (Воронеж, 2009), на кафедре технологии машиностроения ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" (Воронеж, 2008-2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - структура технологического процесса; [2] - механизм стабилизации сборных корпусных деталей; [3] -пути интенсификации технологических процессов; [5] - принципы и порядок выбора режимов для стабилизации геометрии крупногабаритных деталей; [7] - механизм формирования внутренних напряжений в процессе магнитно-импульсной обработки; [8] - установление внутренних связей в напряженном слое материала; [10] - экспериментальные исследования процесса.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, приложения, список литературы из 127 источников. Основная часть изложена на 161 странице, содержит 55 рисунков, 3 таблицы.
