Введение к работе
Актуальность темы. Современное многономенклатурное производство требует частой замены объектов изготовления. Это вызывает необходимость в создании большого количества средств технологического оснащения, которые должны заменяться новыми при очередном запуске продукции, хотя эти средства вполне работоспособны. Известно, что стоимость технологического оснащения может составлять до 50 % себестоимости продукции.
Поэтому обновление материальной базы предприятий, особенно малого и среднего бизнеса, задерживается из-за потребности в больших затратах на запуск и освоение новой (как правило, конкурентоспособной) востребованной техники, что сдерживает технический прогресс в машиностроении.
В технике используются различные виды технологической оснастки: магнитная, криогенная и др. Однако здесь имеются серьезные ограничения: для магнитных фиксирующих устройств требуются точные установочные базовые поверхности, заготовки и крепежные элементы из магнитных сплавов, мощные магнитные излучатели. Для замороженных жидкостей (на базе воды) требуются точные базы, мощные энергоемкие холодильные установки, сложная модернизация оборудования для сбора, подачи и регенерации жидкости и др.
Исследования ученых Иванова, Москвы, Казани, Воронежа показали, что универсальные эксплуатационные характеристики при эксплуатации деталей с подвижными соединениями имеют реологические среды (жидкости), которые начали использоваться в авиационно-космической отрасли в доперестроечный период. Однако реологические среды, которые ранее успешно применялись в конструкциях приборов космической техники, оказались невостребованными для применения в технологии машиностроения, что затормозило использование перспективных сред и создание на их базе средств технологического оснащения. С переходом производства на систему индивидуальных заказов потребовалось научное обоснование возможностей применения реологических сред с целью упрощения и удешевления оснастки, повышения точности деталей, исключения дополнительной обработки базовых поверхностей заготовок. Это ускорило освоение и запуск конкурентоспособной продукции (в том числе по стоимостной привлекательности), что является актуальным для машиностроения.
Работа выполняется в соответствии с федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (мероприятие 1.2.1 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Ракетостроение») и научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Научная проблема. Разработка универсального способа базирования заготовок и обоснование области его рационального применения с использованием свойств реологических жидкостей и управлением их состоянием внешним магнитным полем для создания баз без изготовления профильных опорных устройств.
Цель и задачи исследования. Целью работы является обоснование области рационального применения и состава реологических сред при механической и физико-технической обработке в многономенклатурном производстве и создание технологий, обеспечивающих точное базирование заготовок при индивидуальной геометрии их исходных базовых параметров.
Для достижения поставленной цели сформированы и решены следующие задачи:
1. Оценка точностных и силовых параметров, необходимых для обработки заготовок и обоснование возможностей реологических жидкостей для их применения в типовых технологических процессах многономенклатурного производства.
2. Раскрытие механизма управления процессом базирования индивидуальных заготовок при механообработке с учетом вида обработки, технологических режимов, геометрии установочных поверхностей, силовых параметров процесса обработки и точностных требований к детали.
3. Разработка способов и режимов управления силовыми параметрами и точностными показателями при закреплении реологической средой индивидуальных заготовок в процессе обработки.
4. Создание средств технологического оснащения и технологии обработки заготовок в многономенклатурном производстве с управлением базированием за счет изменения свойств реологических сред.
Методы и достоверность исследования. Теоретические исследования проводились с использованием научных положений по изменению свойств реологической среды в магнитном поле. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современного измерительного оборудования и автоматизированных средств обработки результатов.
Достоверность проведенных исследований, научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в работе, подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов, а также апробацией полученных сведений в процессе внедрения результатов.
Выявленные при этом элементы научной новизны и практической ценности выдвигаются автором в качестве основных положений для защиты.
Научная новизна работы включает:
1. Новый механизм взаимодействия в технологическом процессе установочных базовых поверхностей заготовки с опорными поверхностями оборудования или приспособления, основанный на использовании в размерной цепи вязкоупругого звена в виде реологической среды с управляемым изменением противодействия силам обработки за счет адаптивного формирования характеристик реологической среды.
2. Принципы управления реологической средой в месте взаимодействия с базовыми поверхностями заготовки и средствами оснащения путем ее адаптации к условиям обработки по установленным в работе закономерностям.
3. Обоснование возможности применения в технологии чистовой обработки универсальных установочных баз за счет коррекции их положения реологической средой на участках базовых поверхностей после фиксации пространственного положения зоны обработки в жидкой реологической среде с последующим закреплением заготовки в затвердевающей реологической среде.
4. Доказано, что при базировании заготовок в реологической среде можно использовать более дешевые жидкости, с размером гранул на границе нано-микро, при условии периодического восстановления реологических свойств по предложенным технологиям.
Практическая значимость работы:
1. Разработка рекомендаций по выбору и созданию реологических сред, позволивших по параметрам процессов механической и физико-технической обработки обосновать рациональную область использования в технологических процессах многономенклатурного производства сред с требуемыми характеристиками.
2. Ускорение технологического цикла изготовления деталей в многономенклатурном производстве за счет снижения трудоемкости подготовки установочных баз заготовок и в ряде случаев устранения зажимных элементов и снижения затрат на изготовление оснастки.
3. Ускорение запуска в производство новых изделий и сокращение затрат на технологическую подготовку производства путем исключения значительной части оснастки, в частности крепежных элементов, и ее замены или дополнения реологическими средами с управлением их состоянием по закономерностям, установленным в работе.
4. Создание средств технологического оснащения с адаптивным взаимодействием с реологической средой, позволивших упростить и удешевить их конструкцию, снизить затраты на хранение и наладку оснастки в многономенклатурном производстве.
Личный вклад соискателя в полученные результаты работы:
1. Разработка принципов и ограничений для научно обоснованного выбора области рационального использования и создания реологических сред в технологии многономенклатурного производства современной техники.
2. Формирование нового подхода к раскрытию механизма использования реологических сред в качестве крепежных и компенсирующих элементов базовых поверхностей, обеспечивающих высокую повторяемость геометрии детали при значительном рассеивании размеров заготовки без применения в технологии трудоемких операций по обработке базовых поверхностей заготовок. По результатам изучения этого раздела работы получен патент РФ и поданы заявки на новые способы и устройства.
3. Обоснование и реализация системы управления свойствами реологических сред как части технологического процесса многономенклатурного производства с частым изменением объектов изготовления и ускоренным запуском новых изделий. Поданы заявки на патенты по применению реологических сред в машиностроении.
4. Разработка рекомендаций по выбору и проектированию реологических сред, а также обоснование требований по их созданию применительно к технологии многономенклатурного производства.
5. Обоснование номенклатуры средств технологического оснащения, которые целесообразно заменить или упростить путем повышения уровня унификации за счет использования реологических сред в технологических процессах, предложенных в работе.
6. Оценка временных и материальных затрат на применение реологических сред, обоснование экономического выигрыша от их внедрения в многономенклатурное производство изготовления типовых деталей и средств технологического оснащения.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены на ВМЗ – Филиале ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ПФК «ВСЗ-Холдинг», НПП «Гидротехника» с общим экономическим эффектом 514 тысяч рублей, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационного исследования обсуждались на следующих конференциях: отраслевой научно-технической конференции «Совершенствование производства поршневых двигателей для малой авиации» (Москва, 2008); международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010)» (Воронеж, 2010); VIII международной конференции молодых специалистов организаций ракетно-космической, авивационной и металлургической промышленности России «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Королев, 2010); 2011 International Conference on Information Technology for Manufacturing Systems (Shanghai (China), 2011); IV международной научно-практической конференции «ССП 2011» (Воронеж, 2011); VII Miedzynarodowej naukowi-praktyczne konferencji «Perspektywiczne opracowania sa nauka i technikami – 2011» (Przemyl (Polska), 2011); международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии» (Липецк, 2012); VIII Mezinrodni vdecko-praktck conference «DNY VDY – 2012» (Praha (Czechia), 2012); международной научно-практической конференции «ССП-2012» (Воронеж, 2012); XV международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии. Технология – 2012» (Орел, 2012); IV международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012)» (Рыбинск, 2012), XI всероссийской научно-технической конференции «Механики XXI веку» (Братск, 2012), а также научных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Публикации. Общий объем публикаций по теме работы составляет свыше 9,4 печ. л., из них соискателю принадлежат свыше 4,3 печ. л. По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе 7 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также получен 1 патент РФ на изобретение.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 10, 23] – определена связь физических свойств реологической среды с параметрами наложенного магнитного поля; [2, 20] – проанализированы технико-экономические показатели способа закрепления; [3, 5, 16, 17] – сформулированы рекомендации по выбору технологической оснастки; [4, 11, 19, 26, 27] – предложены способы закрепления заготовок при электрических и комбинированных методах обработки; [6] – сформулированы рекомендации по выбору оптимальных реологических сред; [7, 9, 21] – рассмотрены особенности базирования заготовок в реологических жидкостях; [8, 25] – предложены новые способы использования магнитных жидкостей; [12, 13] – обоснованы области и перспективы использования магнитно-реологических сред в машиностроении; [22, 24] – построена модель процесса закрепления заготовки в реологической жидкости.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, введения, заключения и общих выводов, списка литературы, включающего 133 наименования, и приложений. Основная часть работы изложена на 130 страницах, содержит 49 рисунков и 8 таблиц. Приложения содержат документы о внедрении результатов работы в промышленность и в учебный процесс.
