Введение к работе
Актуальность проблемы. В ранее выполненных нами работах установлено, что степень наклепа значительно влияет на показатели усталостной прочности изделий. При этом требуется достичь наклепа, оптимального для каждого материала деталей. Этот показатель зависит от наследственных явлений, режимов обработки и при существующих методах механического упрочнения не может быть стабильным. Все попытки получить оптимальный (с позиций повышения усталостной прочности) наклеп не давали стабильного результата из-за исходного состояния поверхностного слоя, где наблюдался большой разброс показателей наклепа. Предшествующая термическая обработка достаточно эффективно снимала внутренние напряжения, но не давала стабильного наклепа в наружном слое. Это заставляло его удалять, но механические способы вновь вызывали наклеп, который не позволял получить при последующей обработке требуемое упрочнение.
Процессы электрохимической размерной обработки с последующим механическим упрочнением не позволяли получить заданную точность, шероховатость и наклеп поверхностного слоя, т.к. выполнялись раздельно и без достижения требуемых показателей.
Разработанные нами способы и устройства позволили создать принципиально новую систему управления процессом комбинированной электрохимикомеханической обработки, открывающей возможность получить высокую точность, низкую шероховатость и гарантировать достижение предела усталостной прочности, обеспечивающего запас длительной работоспособности изделий при многоцикловых нагружениях, свойственных, в частности, авиационно-космической и другой транспортной технике. При научном обосновании гарантированного повышения усталостной прочности разработчики современной техники получают возможность снизить массу силовых элементов, что создает пути выхода на выпуск конкурентоспособной промышленной продукции.
Поставленная проблема актуальна для промышленности. Она является основой для выполнения государственных программ «Мобильный комплекс» (раздел «Техническое перевооружение». Постановление Правительства РФ № 2164 П) и «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 – 2013 годы» (Федеральный закон № 94 – Ф3 от 21 июля 2005 г.), а также научного направления ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2007.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Научная проблема заключается в технологическом решении проблемы обеспечения высокого уровня точности металлических изделий с одновременным достижением предельного значения эксплуатационного показателя – предела прочности изделий при многоцикловых нагружениях, свойственных высокоресурсным объектам транспортной и другой техники.
Цель и задачи исследования. Целью работы является создание и реализация новых способов и технологии комбинированной обработки с наложением электрического поля, позволяющих совместить достоинства электрохимической размерной обработки с упрочняющей технологией за счет единого технологического подхода к управлению процессом по постоянству силы подачи комбинированного инструмента.
Для достижения поставленной цели сформированы и решены следующие задачи:
1. Научное обоснование и создание способов комбинированной обработки, обеспечивающих получение повышенной точности и управляемой величины оптимального наклепа для достижения высокой усталостной прочности высокоресурсных изделий.
2. Раскрытие механизма комбинированной обработки металлических изделий.
3. Моделирование процессов, используемых в созданных способах комбинированной обработки.
4. Разработка методики проектирования режимов и технологии использования разработанных способов комбинированной обработки.
5. Исследование технологических возможностей разработанных способов обработки.
6. Разработка технологии комбинированной обработки для типовых видов поверхностей.
7. Исследование возможностей новых способов при изготовлении изделий различного назначения.
Методы и достоверность исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием базовых положений и фундаментальных основ упрочняющих, электрохимических и комбинированных методов обработки. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием планирования эксперимента и регрессионного анализа.
Достоверность проведенных исследований, научных положений, выводов и рекомендаций, полученных в работе, подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов, и статистической обработкой данных, а также апробацией полученных результатов.
Выявленные при этом элементы научной новизны и практической ценности выдвигаются автором в качестве основных положений для защиты.
Научная новизна.
1. Научно обоснованы и созданы новые способы комбинированной обработки наружных и внутренних поверхностей металлических изделий. Способы базируются на новом принципе управления комбинированным процессом по силе подачи комбинированного инструмента вдоль зоны формообразования, где имеет место адаптивное управление процессом анодного растворения припуска до заданного профиля за счет поддержания скорости перемещения калибрующего элемента и управления движением калибрующего элемента через съем припуска со стороны подачи электрода-инструмента. Способы позволяют управлять съемом, формировать профиль повышенной точности и требуемое качество поверхностного слоя за счет использования силовой подачи вдоль зоны обработки одновременно на электрод-инструмент и калибрующий элемент, который связан с электродом в форме единого инструмента. На способы получено 12 авторских свидетельств и патентов СССР и РФ.
2. Раскрыт механизм формирования геометрии и поверхностного слоя при едином принципе управления процессом по величине постоянной подачи и величине стабильного расчетного наклепа материалов для изготовления высокоресурсных изделий.
3. Создано математическое описание процессов, протекающих при комбинированной обработке и необходимых для проектирования технологических режимов разработанных способов.
4. Установлены закономерности технологического обеспечения высокой точности формообразования и оптимального поверхностного слоя при различных сочетаниях действия на материал электрического поля и механического воздействия с управлением по величине продольной силы.
Практическая значимость.
1. На базе новых способов созданы устройства для различных технологических схем формообразования и формирования поверхностных слоев с требуемыми характеристиками.
2. Созданы новые технологические процессы, использующие механизм удаления припуска и формирования поверхностного слоя по разработанным способам.
3. Разработаны пути управления комбинированным процессом, позволяющие разработать технологические процессы изготовления типовых изделий, работающих при знакопеременных нагрузках в высоконагруженных узлах машин.
4. Созданы и защищены патентами новые виды инструмента для реализации разработанных способов.
5. Спрогнозированы пути совершенствования комбинированных технологических процессов, необходимых для создания и выпуска конкурентоспособной продукции машиностроения.
Личный вклад соискателя.
1. Создание новых способов комбинированной обработки и реализации их для типовых изделий, что позволило достичь высокой точности обработки наружных и внутренних поверхностей металлических изделий при управлении процессом формообразования геометрических размеров и обеспечения требуемых показателей качества поверхностного слоя. Соискатель является ведущим разработчиком 10 способов и 8 устройств, защищенных охранными документами.
2. Разработка концепции протекания механизма комбинированной обработки, устанавливающей связи между динамикой удаления части припуска анодным растворением и получения стабильного слоя материала под деформирование калибрующим элементом с управлением по расчетной величине силы продольной подачи, что позволило отойти от классической схемы труднореализуемой подачи по управляемому сближению электродов к простому и надежному управлению по величине остаточного припуска под калибровку в переменном времени локальной обработки, пропорциональном величине припуска и обрабатываемости каждого участка изделия, что позволило повысить точность обработки без усложнения и удорожания средств технологического оснащения, расширить область механического упрочнения, повысить работоспособность, ресурс и надежность силовых изделий, снизить массу высоконагруженных деталей, что усиливает конкурентоспособность создаваемой продукции машиностроения, особенно авиационно-космической и наземной транспортной техники.
3. Формирование механизма и математическое описание процессов, протекающих в технологическом пространстве между обрабатываемой поверхностью, электродом-инструментом и калибрующим элементом, при управлении динамикой съема припуска и получения требуемого качества поверхностного слоя путем применения единого управляющего воздействия – величины продольной подачи комбинированного инструмента.
4. Научное обоснование предельных возможностей комбинированной электрохимикомеханической обработки по разработанному базовому способу и установление области рационального использования новых способов в машиностроении.
5. Методики проектирования комбинированного технологического процесса, наиболее полно реализующего возможности новых способов и устройств в зависимости от свойств объектов обработки и требований к ним с учетом особенностей реализации этапов жизненного цикла изделий.
6. Новые инструменты и другие средства технологического оснащения (защищены авторскими свидетельствами и патентами) для освоения в производстве предложенных способов комбинированной обработки.
7. Обоснование области использования способов для повышения конкурентоспособности создаваемой продукции машиностроения с учетом современных условий поставки изделий на мировой рынок промышленных изделий.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований внедрены на ФГУП НПО «Техномаш», ВМЗ – Филиале ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ПФК «ВСЗ-Холдинг», ОАО «НИИАСПК», ЗРД КБХА, НПП «Гидротехника», ОАО «КамАЗ» с общим экономическим эффектом более 3,4 миллионов рублей, а также в учебный процесс ВГТУ, ЛГТУ, ВГАСУ.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах: всесоюзной научно-технической конференции «Комбинированные электроэрозионно-электрохимические методы обработки материалов» (Уфа, 1983); семинаре МДНТП «Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов» (Москва,1983); всесоюзной научно-технической конференции «Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов» (Брянск, 1986); отраслевой конференции «Совершенствование отраслевого производства на основе внедрения передовой технологии и прогрессивного оборудования» (Воронеж, 1987); межотраслевой конференции «Теория и практика ЭХРО в машиностроении» (Казань, 1988); зональной конференции «Математическое обеспечение и автоматическое управление высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки» (Андропов, 1988); всесоюзной научно-технической конференции «Разработка и промышленная реализация новых механических и физико-химических методов обработки (Обработка-88)» (Москва, 1988); IV Научно-техническом семинаре по неконвенциональным технологиям в машиностроении (АМО-89) (Ботевград (Болгария), 1989); совещании АН СССР «Новые процессы получения и обработки металлических материалов» (Воронеж, 1990); международной конференции «INTERTECHNO '90» (Budapest (Венгрия), 1990); республиканской научно-технической конференции «Качество и надежность технологических систем механообработки» (Краматорск, 1991); российской научно-технической конференции «Новые материалы и технология машиностроения. Интенсивные технологии машиностроения в производстве летательных аппаратов» (Москва, 1992); республиканской научно-практической конференции «Ресурсосберегающая технология машиностроения» (Москва, 1993); IV международной конференции «Precisic Surface Finishing and Burr Technology» (Bad Nanheim (Германия), 1996); международной научно-технической конференции «Теория и практика машиностроительного оборудования» (Воронеж, 1996); всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2002); международной конференции «Нетрадиционные методы обработки» (Воронеж, 2002); V региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2002); VI региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2003); II международной научно-технической конференции «СИНТ-2003» (Воронеж, 2003); III международной конференции «Research and Development in Mechanical Industry» (Serbia and Montenegro, 2003); региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2006); XI международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе. Технология-2009» (Орел-Taba (Россия-Египет), 2009); международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении (ТМ-2010)» (Воронеж, 2010); международной научно-технической конференции «Методы отделочно-упрочняющей и стабилизирующей обработки ППД в технологии изготовления деталей машин, приборов и инструментов» (Ростов-на-Дону, 2010); III всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, 2011); 2011 International Conference on Information Technology for Manufacturing Systems (Shanghai (Китай), 2011); III международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» (Брянск, 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); научных семинарах Санкт-Петербургского института машиностроения (ЛМЗ-ВТУЗ), Орловского государственного университета – учебно-научно-производственного комплекса, Саратовского государственного технического университета, а также научных конференциях профессорского и педагогического состава ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Результаты работы неоднократно экспонировались на ВДНХ СССР, где были отмечены бронзовой медалью (1986 г.), двумя серебряными медалями (1990 и 1991 гг.) и Дипломом 1 степени (1991 г.).
Публикации. Общий объем публикаций по теме работы составляет свыше 115 печ. л., из них соискателю принадлежит свыше 49 печ. л. По теме диссертации опубликовано 76 научных работ, в том числе 20 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 1 монография и 6 учебных пособий, получено 12 авторских свидетельств и патентов РФ на изобретения.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1, 78, 80] – сформулирована модель процесса; [5, 45-47, 49, 51, 52, 64] – обоснованы режимы технологического процесса обработки; [8, 69, 77, 79] - обоснованы области и перспективы использования комбинированных методов обработки; [12, 50, 56] – предложена методика обеспечения качества поверхностного слоя; [17, 88] – предложена структура технологического процесса обработки; [19] – обоснованы режимы стабилизации; [20] – разделы, посвященные методам электрохимикомеханической обработки; [21, 24, 25] – разделы, посвященные проектированию комбинированных методов обработки; [22, 23] – разделы, посвященные проектированию электрохимических методов обработки; [27-38, 48, 53, 54, 58, 59, 70] – предложены новые способы и устройства для комбинированной обработки; [39, 40, 41, 43, 60, 63, 68, 74, 76] – предложен механизм формирования поверхностного слоя при комбинированной обработке; [42, 62, 67] – предложена методика проектирования средств технологического оснащения электрохимикомеханической обработки; [55, 57, 61, 73, 75] – разработана структура управления качеством при комбинированной обработке; [71] – разработан алгоритм автоматизированных расчетов; [66, 72] – проведен анализ возможностей способа комбинированной обработки.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения и общих выводов, списка литературы, включающего 318 наименований, и приложений. Основная часть работы изложена на 304 страницах, содержит 116 рисунков и 36 таблиц.
