Введение к работе
Актуальность темы. Развитие технологии механической обработки деталей машин характеризуется возрастанием требований к качеству поверхностей после финишных операций. К наиболее экономичным и доступным в реализации методам финишной обработки относится поверхностно-плас-тическое деформирование (ППД), которое обеспечивает достижение таких основных показателей качества, как глубина упрочнения и шероховатость поверхности.
Перспективным способом ППД поверхностей деталей сложной конфигурации, наряду с галтовочной, вибрационной и центробежно-ротационной обработкой, является центробежно-планетарная обработка (ЦПО), которая основана на использовании центробежных сил, возникающих при планетарном вращении контейнеров с рабочей загрузкой. Гранулированная рабочая среда, преимущественно в виде стальных полированных шаров, является универсальным инструментом для воздействия на сложные поверхности широкой номенклатуры обрабатываемых изделий.
Известные модели ЦПО не учитывают сопротивление жидкости при движении рабочих тел и инерционные силы от переносного вращения водила, что затрудняет управление показателями качества поверхности при ППД, приводит к неоправданному увеличению длительности обработки.
Для обеспечения показателей качества поверхности при технологической подготовке производства необходимо математически описать взаимодействие рабочих тел с поверхностями деталей в жидкостной среде при ЦПО, разработать программное обеспечение и имитационные модели, позволяющие посредством управляющей программы спроектировать технологическую операцию упрочняющей обработки.
Имитационное моделирование позволяет оптимизировать режимы ЦПО, необходимые для достижения заданных показателей качества поверхностного слоя деталей из различных материалов.
Поэтому определение эффективных технологических режимов отделочно-упрочняющей ЦПО на основе имитационного моделирования является актуальной задачей для повышения качества поверхностей деталей и сокращения сроков проектирования операции.
Объект исследования – технологическая операция отделочно-упроч-няющей обработки в контейнерах с планетарным вращением.
Предмет исследования – взаимосвязи технологических режимов ЦПО с показателями качества поверхностного слоя и система проектирования операционной технологии.
Цель работы – достижение заданных показателей качества поверхности при центробежно-планетарной обработке путем разработки и применения системы технологического проектирования, основанной на имитационном моделировании контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей
деталей.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие
задачи:
1) создать математическую модель движения рабочей загрузки при планетарном вращении контейнера с учетом сопротивления технологической жидкости;
2) разработать конечно-элементную модель контактного деформационного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей;
3) создать методику и программный модуль имитационного моделирования ЦПО для обеспечения показателей качества при оптимизации технологических режимов;
4) выполнить экспериментальные исследования влияния технологических факторов ЦПО на показатели качества поверхностного слоя для оценки адекватности результатов имитационного моделирования;
5) разработать систему проектирования технологической операции отделочно-упрочняющей обработки на основе имитационного моделирования процесса;
6) на основе разработанной системы проектирования дать рекомендации по назначению рациональных режимов обработки и внедрить результаты исследований в производство.
Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теоретической механики, теориях вероятностей и математической статистики, трения и износа и имитационного моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись по методике многофакторного планирования эксперимента в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры и поверенных приборов. Моделирование, обработка и анализ результатов исследований проводились с использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов ANSYS LS-DYNA, Excel, Delphi, Delcam, а также разработанных оригинальных программных продуктов.
Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются применением классических законов механики, научно обоснованными допущениями и граничными условиями при математической постановке задач контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей, подтверждаются сходимостью экспериментальных данных с результатами теоретических исследований и моделирования процесса обработки методом конечных элементов, а также практической реализацией технологии ЦПО в производственных условиях.
Научная новизна:
1) разработана система проектирования операционной технологии на основе имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей, направленная на рациональное достижение заданных показателей качества поверхностного слоя;
2) создана математическая модель движения загрузки в контейнерах с планетарным вращением, учитывающая сопротивление технологической жидкости; установлено, что оно оказывает существенное влияние на скорости взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей при варьировании режимов обработки в эффективном для упрочнения металла диапазоне;
3) установлены связи контактного деформационного взаимодействия рабочих тел в виде стальных шаров и деталей с глубиной упрочнения и шероховатостью обработанной поверхности, на основе которых определяются рациональные режимы и длительность цикла ЦПО.
Практическая ценность работы:
1) предложена методика и разработано технологическое оснащение для определения прочностных характеристик тонких поверхностных слоев металла, необходимых для моделирования контактного деформационного взаимодействия;
2) разработаны рекомендации для назначения режимов обработки, обеспечивающих стабильное достижение необходимых показателей качества поверхностного слоя;
3) разработана и внедрена система рационального автоматизированного проектирования операционной технологии ЦПО на основе имитационного моделирования процесса, которая позволяет назначать рациональные режимы и оптимизировать длительность цикла ППД деталей из различных материалов.
На защиту выносятся:
1) система проектирования отделочно-упрочняющей ЦПО для оптимизации технологических режимов, обеспечивающих заданные показатели качества поверхностей деталей;
2) математические модели движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением с учетом сопротивления технологической жидкости для определения динамических характеристик шаров и обрабатываемых деталей при варьировании режимов обработки;
3) методика имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей для определения показателей качества поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке;
4) математическая модель формирования шероховатости поверхности после деформационного воздействия стальными шарами, учитывающая физико-механические свойства материала обрабатываемых деталей и технологические параметры ЦПО;
5) результаты экспериментальных исследований качества поверхностного слоя обработанных деталей.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской области) и ООО «Ладья» (г. Пенза). Достигнуты стабильное увеличение глубины упрочненного слоя и снижение шероховатости поверхности на труднодоступных участках деталей при повышении производительности обработки. Годовой экономический эффект составил 325 тыс. руб.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2008), III и IV Международных научно-практических конференциях «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (Пенза, 2009, 2010), Международных научно-практических конференциях «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009, 2010), Международной научно-практической конференции «Ресурсы модернизации страны: творческая личность и изобретательство» (Пенза, 2011), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011), Международной научно-технической конференции «Современные компьютерные технологии фирмы Delcam в науке, образовании и производстве» (Самара, 2011), IV Международной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» (Рыбинск, 2012), X Международной научно-методической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Пенза, 2012), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (Пенза, 2008-2012).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 статей (четыре статьи без соавторов), из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получены два свидетельства о регистрации электронных ресурсов DSF и CPOUO.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, включает 148 страниц текста, 95 рисунков, 16 таблиц, 11 приложений; список литературы содержит 105 наименований.
