Введение к работе
Актуальность исследования. Современное ремонтное производство по своей мощности, функциям и задачам является крупной отраслью национальной экономики, которое, по сути, осуществляет вторичное производство машин. Главная задача ремонтного производства заключается в экономически эффективном восстановлении работоспособности машин.
Одним из направлений решения этой задачи является восстановление изношенных деталей. Обусловлено это тем, что большинство деталей, поступающих в ремонт выбраковываются вследствие износа рабочих поверхностей, хотя более 60 % из них имеют значительный остаточный ресурс долговечности по прочности и могут быть использованы повторно при восстановлении изношенных поверхностей.
Анализ современной научно-технической литературы показывает, что обоснованный процесс восстановления изношенных деталей в системе вторичного производства является природоохранным ресурсосберегающим производством, обеспечивающим получение деталей со свойствами близкими к свойствам новых деталей или превосходящими их. Наработка таких деталей соответствует, а в ряде случаев превосходит нормативную наработку новых деталей.
На практике, в большинстве случаев послеремонтная наработка значительной части материало- и энергоемких в изготовлении деталей подвижного состава железнодорожного транспорта после их восстановления в 1,5...2,5 раза уступает наработке новых деталей. Так, например, используемая на Ростовском электровозоремонтном заводе (РЭРЗ) отраслевая технология восстановления деталей ходовой части подвижного состава гарантирует наработку восстановленных деталей электровозов 500 000 км. Регламентируемая системой ТО и Р наработка до среднего ремонта составляет 800 000 км. В связи с чем, значительная часть восстановленных деталей достигает предельно допустимого износа раньше, чем электровозы поступают на средний ремонт. Анализ сложившейся ситуации показывает, что в основе таких показателей лежит необоснованно низкий как в количественном, так и в качественном отношении уровень оснащенности (15...20 % по сравнению с предприятиями по производству новых машин) ремонтно-восстановительного производства современными технологиями и средствами их оснащения. Имеющиеся научные сведения свидетельствуют о том, что низкий уровень ремонта машин, в том числе и восстановления их деталей не является коренным пороком ремонта, а является лишь результатом укоренившихся недостатков в развитии ремонтных технологии и организации ремонтного производства.
Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что важнейшей задачей современного ремонтного производства является создание, освоение и внедрение в производство новой высокоэффективной технологии, обеспечивающей рост производительности труда, качества выполняемых работ,
снижение материале- и энергоемкости операций восстановления изношенных деталей.
Актуальность решения поставленной задачи обусловлена с одной стороны практической значимостью и перспективностью восстановления изношенных деталей машин, с другой стороны недостаточным уровнем развития восстановительных технологий. Решение сформулированной задачи неразрывно связано с совершенствованием известных и разработкой новых ресурсосберегающих технологий восстановления изношенных деталей, основанных на комбинированном тепловом и механическом воздействии на материал детали путем совмещения в единой технологической операции этапов наплавки и термомеханической обработки наплавленного металла.
Степень разработанности проблемы.
Изучению процессов восстановления изношенных деталей при комбинированном тепловом и механическом воздействии на материал детали посвящены работы Н.И. Бойко, Э.Л. Левина, Ю.И. Бабенкова, А.Е. Хачкинаяна, В.Е. Зиновьева, В.В. Колякина, и др.
Анализ работ вышеуказанных авторов, выполнение которых позволило методу комбинированного теплового и механического воздействия на поверхность обрабатываемой детали, основанного на совмещении этапов наплавки и механической обработки горячего наплавленного металла, занять важное место среди современных методов восстановления деталей показало, что в выполненных работах исследование технологической схемы совмещающей наплавку, механическую лезвийную и отделочно-упрочняющую обработку ППД горячего наплавленного металла носит предварительный проверочный характер, а модели, принятые при теоретических исследованиях сил резания не учитывают геометрию срезаемого поверхностного слоя. Полученные результаты и имеющиеся сведения не достаточны для разработки эффективных технологических процессов и средств их оснащения. Широкое внедрение в производство такого комбинированного метода восстановления деталей все еще сдерживается недостаточной изученностью процесса, отсутствием работ, раскрывающих его особенности и технологические возможности, хотя здесь заложены значительные резервы повышения эффективности восстановления изношенных деталей. Это в свою очередь ставит задачу дальнейших всесторонних исследований по раскрытию особенностей процесса, его закономерностей и технологических возможностей, разработки научно-обоснованных рекомендаций по выбору рациональных режимов и условий реализации процесса.
Цель работы:
Повышение эффективности восстановления цилиндрических деталей за счет разработки малооперационной ресурсосберегающей технологии путем совмещения в единой технологической операции процессов наплавки, механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки ППД наплавленного металла.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
-
Обоснование структурно-кинематической схемы технологической системы, обеспечивающей совмещение в единой технологической операции процессов наплавки, механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки роликом наплавленного металла.
-
Разработка математической модели расчета силы резания при термофрезеровании цилиндрической детали, учитывающей геометрию поверхности наплавленного компенсационного слоя.
3) Экспериментальные исследования силы резания и износа инструмента
при фрезеровании наплавленного металла. Разработка математических моделей
силы резания и периода стойкости инструмента в зависимости от режимов
резания при обработке горячего наплавленного металла.
4) Исследование влияния режимов механической обработки на
шероховатость поверхности и погрешность некруглости формы
восстановленной детали, микроструктуру и износостойкость восстановленной
поверхности
5) Разработка методики автоматизированного выбора рациональных
режимов обработки и характеристик режущего инструмента при
термофрезеровании наплавленного металла, обеспечивающих минимальную
энергоемкость процесса. Разработка методики автоматизированного расчета
сил резания и периода стойкости режущего инструмента при фрезеровании
горячего наплавленного металла.
6) Технико-экономическое обоснование целесообразности
восстановления изношенных деталей подвижного состава рассматриваемым
комбинированным методом. Разработка научно обоснованных рекомендаций
по проектированию и практическому применению малооперационной
ресурсосберегающей технологии при восстановлении изношенных
цилиндрических деталей.
7) Разработка и внедрение в производственный процесс Ростовского
электровозоремонтного завода рекомендаций по совершенствованию
технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей ходовой
части подвижного состава, гарантирующей требуемый системой технического
обслуживания и ремонта межремонтный ресурс восстановленных деталей.
Предмет исследования - повышение эффективности восстановления изношенных цилиндрических деталей, снижение требуемых материальных и энергетических ресурсов за счет совмещения в единой технологической операции этапов создания ремонтной заготовки, ее механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием.
Объект исследования - технологический процесс восстановления изношенных цилиндрических деталей, совмещающий в единой технологической операции процессы автоматической электродуговой наплавки, фрезерования и отделочно-упрочняющей обработки поверхностным
пластическим деформированием накатным роликом горячего наплавленного металла.
Методологической базой исследования являются известные подходы и методы, применяемые для проведения исследований в области технологии машиностроения: расчетно-аналитические, статистические, металлографические и др.
Теоретической базой исследования являются теоретические основы технологии машиностроения, обработки металлов резанием, упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием и технологии сварочного производства.
Эмпирическая база исследований - использование современных методов исследования процессов наплавки, термофрезерования и термообкатки наплавленного металла, качества обработанной поверхности и стойкости режущего инструмента.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Теоретико-экспериментальная математическая модель расчета усилия фрезерования горячего наплавленного металла, учитывающая геометрию поверхностного слоя обрабатываемой детали.
Эмпирические математические модели расчета стойкости фрезы и усилия фрезерования в зависимости от режимов резания горячего наплавленного металла с учетом критерия затупления зубьев фрезы, равного 0,5 мм.
Закономерности влияния основных технологических факторов процессов терморезания и термообкатки роликом наплавленного металла на качество и износостойкость поверхностного слоя восстанавливаемых деталей машин.
Методика автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента, методика автоматизированного расчёта усилия резания и стойкости фрезы при термофрезеровании наплавленного металла.
Научная новизна результатов исследования заключается в разработке расчетно-аналитической зависимости усилия резания от режимов термофрезерования и геометрии обрабатываемой поверхности при восстановлении деталей; раскрытии закономерности влияния режимов термомеханической обработки на шероховатость поверхности, микроструктуру наплавленного металла и износостойкость восстановленной детали и влияния режимов терморезания на стойкость фрезы; разработке методики автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента, расчета стойкости фрезы и усилия резания при обработке горячего наплавленного металла.
Теоретическая и практическая значимость работы.
На основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны методика автоматизированного выбора рациональных режимов обработки и характеристик режущего инструмента при термофрезеровании наплавленного металла, методика расчёта стойкости фрезы и усилия резания. Даны рекомендации по разработке ресурсосберегающей
технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей, основанной на комбинированном тепловом и механическом воздействии на обрабатываемую поверхность.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Выполненная диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.02.08 - «Технология машиностроения» по следующим областям исследований:
Технологические процессы операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости;
Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска;
- Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного
слоя, точности и долговечности деталей машин.
Апробация работы и реализация результатов диссертации.
Основные положения диссертации доложены на 10-й и 11-й Международных практических конференциях «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (г. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2008, 2009 гг.); 15-й Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии - Технология-2012» (г. Орел, Госуниверситет-УНПК, 2012 г.), Международной научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Подвижной состав XXI века» (г. Хабаровск, ДВГУПС, 2008 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Траспорт-2007», «Транспорт-2008», «Транспорт-2009», «Транспорт-2010», «Транспорт-2011», «Транспорт-2012», «Транспорт-2013» (г. Ростов н/Д, РГУПС, 2007-2013 гг.).
Научные разработки, выполненные при дипломном проектировании по теме диссертации, отмечены благодарственным письмом от президента РАН академика В.Е. Фортова.
Разработаны и внедрены в производственный процесс Ростовского-на-Дону электровозоремонтного завода рекомендации по совершенствованию технологии восстановления изношенных цилиндрических деталей ходовой части подвижного состава, гарантирующие требуемый системой технического обслуживания и ремонта межремонтный ресурс восстановленных деталей. Ожидаемый экономический эффект от реализации такой технологии на годовую программу восстановления деталей электровозов составляет 1,177 млн. рублей.
Достоверность и обоснованность предложенных теоретических решений, а также эффективность практических рекомендаций подтверждены промышленными испытаниями.
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 25 печатных работ, в том числе одна монография и четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 150 наименований, приложения. Работа содержит 207 страниц машинописного текста, 21 таблицу, 83 рисунка, 2 приложения.
Личный вклад автора.
Все основные научные положения и результаты исследований, составившие содержание диссертационной работы и определившие теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение повышения эффективности восстановления изношенных цилиндрических деталей за счет совмещения в единой технологической операции этапов создания ремонтной заготовки, ее механической лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки ППД, получены автором лично. Экспериментальная проверка полученных в диссертации зависимостей, положений и принципов осуществлялась либо автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.
