Введение к работе
Актуальность темы. В отечественном машиностроении происходит технологическая модернизация, направленная на повышение эффективности производства и конкурентоспособности выпускаемой продукции. Освоение прогрессивных технологий обеспечивается преимущественно за счет приобретения импортного оборудования и инструмента и, в меньшей степени, путем внедрения новых технологических процессов, созданных в нашей стране.
Можно отметить еще одну особенность современного развития отечественного машиностроения - смещение акцентов в сторону совершенствования высокотехнологичных отраслей, ориентированных на мелкосерийное производство. Не менее важной и актуальной задачей для экономики страны и ее престижа является производство продукции, выпускаемой в больших объемах, качество которой затрагивает интересы большого числа потребителей.
И, наконец, еще об одной тенденции развития технологи машиностроения, в которой наряду с уже традиционными требованиями постоянного повышения производительности, точности и качества обработки деталей все более активно выдвигается условие экологичности их изготовления. При этом требование экологичности производства в расширенной трактовке затрагивает не только комфортность условий труда, но и уменьшение материалоемкости и энергосбережения выпуска изделий, что напрямую влияет на их экономичность и конкурентоспособность.
Применительно к финишным операциям обработки, например, с использованием абразивного инструмента и принудительного охлаждения зоны резания более предпочтительным с точки зрения экологии представляются процессы поверхностного пластического деформирования (ППД) и особенно те, в которых не применяются смазывающе-охлаждающие технологические среды (СОТС).
В соответствии с отмеченными тенденциями и особенностями развития машиностроения и его научно-технического обеспечения можно сформулировать приоритеты представленной диссертационной работы. Ее выполнение направлено на создание и внедрение новой технологии финишной обработки методом ППД без охлаждения взамен абразивной обработки (например, ленточного шлифования с охлаждением керосином) для условий массового изготовления деталей с тактом выпуска менее минуты.
Для указанных условий производства, в частности для автомобилестроения, ключевой проблемой внедрения новой технологии становится ее повышенная надежность и стабильность, то есть уверенность в безусловном выполнении всех необходимых требований к точности и качеству массового производства 600 000 и более деталей в год только одного типа при их непрерывном изготовлении в течение нескольких лет. При отсутствии влияния оператора на ход технологического процесса выполнение требований по точности формы и размеров поверхности обрабатываемой детали, ее шероховатости и других регулируемых характеристик качества поверхностного слоя требует тщательной научно-исследовательской проработки.
Проведенный обзор и анализ результатов исследований различных аспектов процессов поверхностного пластического деформирования позволяет сделать следующее заключение.
Процессы ППД в последние годы стали составной частью технологии формообразования деталей в машиностроении в качестве финишной операции. Важным достоинством методов поверхностного пластического деформирования является управляемое воздействие на структуру и физико – механические свойства поверхностного слоя обрабатываемых деталей с целью улучшения его эксплуатационных свойств.
Разработано, исследовано и внедрено в промышленность большое количество методов ППД со статическим и динамическим воздействием на обрабатываемую поверхность деталей, которые заметно отличаются по эффективности использования, конструктивному исполнению и эксплуатационному назначению.
Большинство известных примеров практического использования методов ППД свидетельствует, что наиболее эффективно они применяются в отраслях машиностроения с мелкосерийным производством и при обработке преимущественно ответственных деталей, к которым предъявляются повышенные требования по износостойкости, усталостной прочности и др.
Если рассматривать метод ППД как возможную альтернативу процессам абразивной обработки в качестве финишных операций, то оказывается, что упрочняющая обработка в большинстве случаев уступает абразивной по скорости достижения заданной степени шероховатости обрабатываемых поверхностей деталей и особенно для поверхностей с повышенной степенью гладкости.
Преимуществом методов поверхностного пластического деформирования является их экологичность, так как по определению при упрочняющей обработке не происходит удаления материала и, следовательно, повышается коэффициент его использования. Применение ППД в качестве альтернативы абразивной обработке в ряде случаев может исключить масштабное использование смазочно-охлаждающих технологических средств.
В этой связи можно констатировать, что тема диссертационной работы актуальна и направлена на решение важной научно-технической проблемы повышения эффективности и экологичности технологических процессов изготовления деталей в условиях их массового производства.
В процессе выполнения работы были разработаны новые методы и технология поверхностного деформирования выглаживанием оригинальным по конструкции и назначению инструментом – широким самоустанавливающимся выглаживателем. Использованные в работе высокопроизводительные способы обработки и инструменты для их реализации признаны изобретениями, что подтверждается полученными авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Цель работы: повышение эффективности и экологичности финишной обработки стальных и чугунных деталей в условиях их массового производства путем разработки, обоснования и освоения новой высокопроизводительной технологии выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом взамен ленточного шлифования с охлаждением керосином.
Для реализации поставленной цели необходимо выполнить комплекс теоретических и экспериментальных исследований, а также работ, направленных на решение следующих основных задач:
-
Разработка метода и технологии поверхностного выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом.
-
Теоретическое обоснование применения технологии выглаживания, включая анализ условий контактного взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью, теплообразования и распределения тепловых потоков в зоне обработки.
-
Исследование и назначение рациональных условий работы инструмента при поверхностном выглаживании деталей из конструкционных и легированных сталей и высокопрочного чугуна, включая разработку конструкций выглаживателя, модель изнашивания его рабочей поверхности, выбор материала инструмента, изучение влияния его износа на качество обработки.
-
Разработка методики и проведение исследований по оценке эксплуатационной надежности деталей с рабочими поверхностями, обработанными по новой технологии.
-
Проектирование, изготовление и промышленное освоение оригинальных конструкций широких выглаживателей и технологии их изготовления, конструкций станочного оборудования для новой технологии поверхностного выглаживания для условий массового производства.
-
Обобщение опыта производственных испытаний и внедрения новой технологии поверхностного выглаживания и разработка технологических рекомендаций по ее расширенному использованию в различных отраслях машиностроения.
Методология исследований. В работе использован комплексный подход для достижения поставленной цели, основанный на совместном использовании методов теоретического анализа и экспериментальных исследований в совокупности с компьютерным моделированием и производственными испытаниями. При проведении исследований использовались теоретические положения технологии машиностроения, физики металлов, механики деформируемого твердого тела, стандартные методики с использованием методов математической статистики, а также современные методы исследования материалов. Теоретические исследования и анализ экспериментальных данных проводились на ЭВМ с применением программы для инженерно-математических вычислений Matlab и языка программирования Delphi.
Достоверность теоретических разработок и экспериментальных исследований, а также эффективность практических рекомендаций подтверждена результатами опытно-промышленной проверки и внедрением в производство разработанных технологических процессов, инструмента и оборудования.
Научная новизна работы состоит в:
- теоретическом обосновании целесообразности и эффективности технологического применения нового высокопроизводительного процесса выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом с предложенными схемами бездефектного воздействия на систему обработки «деталь-инструмент-станок»;
- комплексной модели процесса широкого выглаживания с общим программным обеспечением, включающей в себя расчетный анализ условий контактирования инструмента с обрабатываемой поверхностью, их нагрева и изнашивания рабочей поверхности выглаживателя как фактора, определяющего его работоспособность;
- выявленных закономерностях теплообразования и распределения тепловых потоков между выглаживающим инструментом и обрабатываемой деталью в условиях сухого трения скольжения с большой площадью контакта;
- предложенной методологии теоретической и экспериментальной оценки изнашивания инструмента как достижение критического состояния в результате необратимой трансформации микрогеометрической топографии его рабочей поверхности, при котором не обеспечивается заданная шероховатость выглаженной поверхности детали;
- раскрытом характере влияния технологических параметров широкого выглаживания на условия быстрого (за 6…10с) обеспечения заданной шероховатости обработанной поверхности деталей из конструкционных сталей и высокопрочного чугуна.
Практическая ценность результатов работы заключается в:
- разработанной высокопроизводительной и экологичной технологии выглаживания широким самоустанавливающимся инструментом без применения смазывающе-охлаждающих технологических сред;
- предложенных и реализованных в промышленных масштабах оригинальных технологических схемах, инструментах, технических устройствах и оборудования для широкого выглаживания;
- разработанных технологических условиях рационального применения новых методов выглаживания в массовом производстве;
- созданном программном обеспечении для прогнозирования работоспособности выглаживающего инструмента с оценкой его контактного взаимодействия с обрабатываемой поверхностью детали, теплонапряженности и изнашивания в процессе широкого выглаживания без охлаждения.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на отраслевой научно-технической конференции, Куйбышев, 1988, Межреспубликанской научно-технической конференции, Волгоград, 1989, областной научно-технической конференции, Тольятти, 1989, Юбилейной научно-технической конференции, Тольятти, 1997, Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» (г. Уфа, УГАТУ, 2000), VI Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» (Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2001), Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (г. Тольятти, ТГУ, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, ТГУ, 2004), Международной научной конференции «XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, МАТИ-РГТУ, 2004 г.), Первом международном экологическом конгрессе (Третьей международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов», ELPIT-2007.
Публикации. По результатам работы опубликована одна монография, 60 статей, 10 из которых в изданиях из рекомендованного перечня ВАК РФ; получено 6 авторских свидетельств на изобретения и 5 патентов РФ, зарегистрировано 2 алгоритма программного обеспечения расчетов в Отраслевом фонде алгоритмов и программ РФ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций по работе. Диссертационная работа изложена на 291 странице машинописного текста, содержит 141 рисунок, 18 таблиц, список используемой литературы из 192 наименований и приложения.
