Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительная часть деталей в машиностроении имеет форму оболочки. Оболочковые детали, обеспечивая высокую прочность и плотность компоновки, находят широкое применение в самых разных отраслях промышленности: машино- и приборостроении, нефтегазовой промышленности, производстве товаров народного потребления, самолето- и ракетостроении, космических и военно-промышленных разработках. В автомобильной промышленности примером оболочки является корпус фильтра автомобильного двигателя. Оболочковая конструкция детали, обеспечивая высокую прочность и плотность компоновки подкапотного пространства автомобиля, находит широкое применение в самых различных конструкциях двигателей.
Одновременно с увеличением количества тонкостенных конструкций повышаются и технологические требования, предъявляемые к ним: точность формы и взаимного расположения поверхностей, точность размеров, шероховатость обработанной поверхности. Выполнение этих требований в ряде случаев вызывает трудности, связанные с низкой жесткостью оболочковых деталей, которые необходимо решать.
Производство изделий с высоким качеством поверхности и точными размерами с помощью механической обработки характеризуется высокой трудоемкостью и низким коэффициентом использования материала. Значительную роль в решении задачи повышения эффективности производства и качества изготавливаемых изделий отводится методам деформирующей обработки, позволяющим обеспечить малоотходное формоизменение металла вместо механической обработки резанием. Одним из таких методов является обкатывание оболочек роликами (ротационная вытяжка).
Большой вклад в разработку теории и практики обкатывания оболочек роликами внесли научные школы г. Тулы, Орла, Воронежа, Москвы. Исследованиям процесса посвящены работы ученых М.А. Гредитора, В.А. Голенкова, Н.И. Могильного, СЮ. Радченко, В.И. Трегубовова, Л.Г. Юдина, СП. Яковлева и др., а также зарубежных исследователей Б. Авитцура, С. Кобаяши, СО. Колпакчиоглу, Э. Томасетта, С.Н. Уэллса, Ч. Янга и др.
Однако существующие рекомендации основаны в основном на эмпирических данных и отсутствуют рекомендации по выбору режимов обработки, что вызывает трудности при переходе производства на новые типоразмеры изделий, а так же препятствует стабильности обеспечения качества выпускаемой продукции.
Дальнейшее совершенствование технологии обкатывания оболочек роликами и расширение области ее применения сдерживается недостаточной изученностью процесса. Исследованиями А.Ю. Албагачиева, А.П. Бабичева, М.А. Балтер, СВ. Баринова, В.Ф. Безъязычного, В.М. Браславского, М.С Дрозда, А.А. Ершова, А.В. Киричека, Ю.Р. Копылова, В.А. Лебедева, М.М. Матлина, А.А. Михайлова, П.Д. Мотренко, Л.Г. Одинцова, Н.В. Олейника, Д.Д. Папшева, В.В. Петросова, Э.В. Рыжова, В.И. Серебрякова, А.Г. Суслова,
Ю.И. Сидякина, В.М. Смелянского, Д.Л. Соловьева, Г.В. Степанова, М.А. Тамаркина, В.П. Федорова, Л.А. Хворостухина, П.А. Чепы, О.М. Щеброва, Д.Л. Юдина и др. установлена высокая эффективность применения поверхностного деформирования для повышения эксплуатационных характеристик деталей машин. Для получения результата необходимо исследование силовых факторов процесса, которые зависят от площади контакта инструмента и заготовки и величины контактных давлений в пятне контакта. На силы и давление в пятне контакта оказывает большое влияние изменение условий трения между инструментом и заготовкой.
Одним из возможных путей изменения условий трения между инструментом и заготовкой является нанесение на его рабочие поверхности фторированных ПАВ из растворов эпиламов. Изучением процесса эпиламирования, влияния тонкопленочного покрытия на работоспособность узлов трения занимались О.Г. Андреева, И.Б. Ганцевич, И.И. Гарбар, Е.А. Звягина, И.С. Напреев, В.Л. Потеха, Н.А. Романова, Н.А. Рябинин, А.В. Рогачев, Е.В.Сапгир, М.Ф. Селеменев, Л.В. Тимофеева, М.И. Харченко, Г.И.Фукс и др. Существует ряд исследований по эффективности эпиламирования различного режущего инструмента (резцы, сверла, метчики, концевые фрезы, ножовочные полотна и т.д.). Однако, отсутствуют исследования по применению эпиламированного инструмента для обработки пластическим деформированием с локальным очагом контакта, к которым относится и способ обкатывания оболочек роликами.
Цель работы: повышение эффективности обкатывания оболочек роликами за счет моделирования процесса, поиска рациональных технологических и конструкторско-технологических факторов и изменения условий контакта инструмента и заготовки на примере корпуса масляного фильтра.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
-
разработка классификации оболочек и корпусов автомобильных фильтров;
-
выявление дефектов оболочки и вероятных причин их возникновения при обкатывании роликами на примере корпуса фильтра;
-
разработка математической модели обкатывания оболочек роликами;
-
установление взаимосвязей геометрических погрешностей обкатываемой детали с конструкторско-технологическими факторами, а так же внутренними параметрами процессами обкатывания роликами;
-
экспериментальная проверка результатов теоретических расчетов;
-
разработка технологических рекомендаций.
Объектом исследования является процесс обкатывания оболочек роликами.
Предметом исследования являются конструкторско-технологические, внутренние параметры процесса обкатывания оболочек роликами и геометрические параметры качества оболочек.
Методы исследования:
Теоретические исследования базировались на фундаментальных положениях соответствующих разделов технологии машиностроения, технологии обработки металлов давлением, теоретической механики, механики деформируемого твердого тела, теории вероятности и математической статистики, теории математического моделирования, метода конечных элементов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
-
Методика объемного моделирования процесса обкатывания оболочек роликами на основе МКЭ в программном комплексе DEFORM.
-
Установлен характер влияния конструкторско-технологических факторов обкатывания оболочек роликами, трения в пятне контакта на поля напряжений, деформаций и геометрические показатели качества детали.
-
Теоретическая зависимость изменения площади пятна контакта инструмента и заготовки в зависимости от геометрии инструмента и его расположения относительно заготовки при обкатывании оболочек роликами
-
Технологические рекомендации по обеспечению шероховатости оболочки на протяжении всего технологического процесса.
-
Зависимость изменения макрогеометрии поверхности оболочки от способа обработки и условий смазки в пятне контакта.
-
Рекомендации по расчету толщины стенки оболочки при обкатывании эпиламированным инструментом.
-
Технологические рекомендации по эпиламированию инструмента и его эксплуатации.
Научная новизна работы.
-
Разработана конечноэлементная математическая модель, позволяющая установить характер влияния конструкторско-технологических факторов обкатывания оболочек роликами, трения в пятне контакта на поля напряжений, деформаций и геометрические показатели качества детали. Выявлены закономерности изменения внутренних параметров процесса обкатывания оболочек роликами: сил, площади контакта заготовки и обрабатывающего ролика, давления в пятне контакта инструмента и заготовки.
-
Разработан комплекс регрессионных моделей процесса обкатывания оболочек роликами, связывающих параметры качества оболочек с технологическими режимами обработки, геометрическими параметрами инструмента и расположением относительно заготовки.
-
Установлена закономерность изменения площади пятна контакта инструмента и заготовки в зависимости от геометрии инструмента и его расположения относительно заготовки при обкатывании оболочек роликами.
-
Установлена целесообразность назначения технологических режимов обкатывания оболочек роликами по результатам оптимизации обобщенного параметра качества оболочки, характеризующего отклонение от круглости ее поперечного сечения и величину кольцевого заусенца. Установлена зависимость обобщенного параметра качества оболочки от давления в пятне контакта оболочки и ролика в процессе обкатывания.
-
Установлено, что эпиламирование инструмента сопровождается изменением условий контакта ролика и оболочки, смещением области оптимальных режимов обработки, снижением коэффициента трения в 1,5 раза, снижением силовой нагруженности процесса, снижением шероховатости поверхности оболочки, обеспечивает увеличение периода стойкости инструмента в 2,1 раза.
Практическая ценность работы:
-
Разработаны методика назначения технологических и конструкторско-технологических режимов параметров обкатывания оболочек роликами, требования к параметрам заготовки.
-
Разработаны технологические рекомендации по обкатыванию оболочек роликами и технология обкатывания оболочек эпиламированным инструментом.
Результаты работы апробированы и внедрены на предприятии ОАО "Автоагрегат" г. Ливны Орловской обл.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной научно-практической конференции «Научный потенциал Орловщины в модернизации промышленного комплекса малых городов России» (г. Орел, 2010); на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Нанотехнологии в производстве авиационных газотурбинных двигателей-летательных аппаратов и энергетических установок (ГТДнанотехнологии -2010)» (г. Рыбинск, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (г. Рыбинск, 2009); на Международной научно-технической конференции «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении» (г. Воронеж, 2010); на ежегодных научных конференциях преподавателей и сотрудников Орловского государственного технического университета (г. Орел 2007-2010 г.);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе, 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени кандидата технических наук, 3 патента РФ на изобретение
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов работы; выполнена на 132 страницах и содержит 35 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 102 наименований и приложений.
