Введение к работе
Актуальность темы. Повышение качества и конкурентоспособности машиностроительной продукции путем внедрения эффективных инновационных технологий является необходимым условием развития отечественного машиностроения в современной рыночной экономике.
Практически во всех отраслях промышленности, особенно в машиностроении, неуклонно возрастает удельный вес объемной отделочно- зачистной обработки (ОЗО) деталей гранулированными рабочими средами (ГРС) для механизации таких трудоемких операций, как шлифование, полирование, подготовка поверхностей под покрытия, удаление заусенцев и скругление кромок. Трудоемкость операций ОЗО достигает до 20 % общей трудоемкости изготовления деталей, так как они выполняются вручную или средствами малой механизации. Наиболее широкое распространение получили галтовочная, вибрационная и центробежно-ротационная обработка. В последние годы все большее применение находит перспективная и более производительная центробежная обработка в контейнерах с планетарным вращением, которая позволяет создать давление частиц ГРС в 20-25 раз большее, чем при вибрационной обработке.
Существенным недостатком, присущим всем методам отделочно- зачистной обработки, в том числе и центробежной, является наличие в рабочей камере или контейнере зон различной интенсивности воздействия гранул на обрабатываемые поверхности деталей, причем большая часть деталей и гранул оказывается в зоне относительного покоя, называемой застойной зоной.
В застойных зонах замедляется перемещение гранул относительно поверхностей обрабатываемых деталей, что приводит к нарушению стабильности обработки. Поэтому возникает необходимость разбраковки неудовлетворительно обработанных деталей, их повторной обработки или ручной дополировки труднодоступных участков профиля, что существенно повышает трудоемкость отделочно-зачистных операций. В настоящее время относительное движение ГРС и поверхностей деталей достигается за счет вращения или вибраций контейнера с постоянной скоростью.
В отличие от ранее известных способов предлагается для повышения стабильности центробежной обработки и качественных характеристик труднодоступных участков фасонного профиля деталей интенсифицировать относительное движение гранул и поверхностей деталей вращением контейнера с переменной скоростью при радиальных осцилляциях стенки.
В этом случае происходит дополнительное движение гранул относительно поверхностей деталей, циклически разрушается застойная зона, что создает условия для повышения стабильности формирования однородной шероховатости по профилю детали и интенсифицируется съем металла.
Поэтому тема исследования, направленная на совершенствование центробежной ОЗО путем интенсификации движения рабочей загрузки в объеме контейнера, является актуальной.
Цель работы: повышение качества поверхностей и производительности центробежной обработки деталей, преимущественно сложной формы, путем интенсификации движения рабочей загрузки за счет плавного циклического изменения действующих инерционных сил.
Объект исследования - технологическая операция центробежной отделочно-зачистной объемной обработки гранулированными абразивными средами на полимерной связке.
Предмет исследования - взаимосвязи технологических режимов и условий центробежной обработки при интенсификации движения рабочей загрузки, обеспечивающие заданные показатели качества поверхности и повышение производительности процесса.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
установить закономерности движения рабочей загрузки для нового способа обработки и определить динамическое воздействие гранул на обрабатываемые поверхности;
разработать математическую модель контактного взаимодействия абразивных гранул на полимерной связке с обрабатываемыми поверхностями деталей для прогнозирования шероховатости поверхности на основе взаимосвязи технологических режимов и конструктивных параметров центробежных устройств;
выполнить экспериментальные исследования влияния технологических факторов на качественные характеристики поверхностного слоя и оценить адекватность предложенных математических моделей;
разработать рекомендации по регламентированию технологических режимов и условий центробежной отделочно-зачистной обработки деталей и внедрить результаты исследований в производство.
Методы исследования:
теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теоретической механики, теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования;
экспериментальные исследования выполнялись по методике многофакторного планирования эксперимента в лабораторных и производственных условиях на опытно-промышленной центробежно-планетарной установке с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры и поверенных приборов;
обработка результатов опытов, моделирование и анализ проводились с использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов LS-DYNA, Excel, Delphi, а также оригинальных программных продуктов, разработанных на кафедре «Технология машиностроения» Пензенского государственного университета.
Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность научных результатов обеспечивается корректной математической постановкой задач, адекватно отражающих закономерности движения рабочей загрузки в объеме контейнера при циклическом изменении инерционных сил; подтверждается результатами моделирования процесса обработки методом конечных элементов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных и практической реализацией предлагаемой технологии в производственных условиях.
Научная новизна:
-
-
Выявлены взаимосвязи движения рабочей загрузки в контейнере с параметрами циклического плавного изменения скорости вращения контейнера вокруг собственной оси при планетарном движении контейнера и радиальных осцилляциях внутренней стенки, что позволило выравнять контактные давления на различных участках профиля и стабилизировать условия отделочно-зачистной обработки деталей.
-
Получены аналитические зависимости для определения кинематических и динамических характеристик гранул и деталей, что позволило разработать модель движения уплотненной загрузки в объеме контейнера и оценить контактное взаимодействие рабочей среды на различных участках обрабатываемой поверхности.
-
Впервые разработана методика прогнозирования шероховатости поверхности на основе анализа контактного взаимодействия гранул на полимерной связке с обрабатываемыми деталями с учетом статистических закономерностей распределения абразивных частиц по поверхности гранул.
-
Предложена математическая модель шероховатости поверхности при неравномерной скорости вращения контейнера и радиальных осцилля- циях стенки с учетом взаимосвязи технологических режимов обработки и конструктивных параметров центробежных устройств.
-
Определено влияние технологических факторов на шероховатость поверхности и производительность обработки, представленное в виде полиномиальных моделей, полученных на основе многофакторного планирования эксперимента и статистической оценки результатов исследований.
На защиту выносятся:
-
-
-
Результаты теоретических исследований движения рабочей загрузки при неравномерной скорости вращения контейнера вокруг собственной оси и радиальных осцилляциях стенки контейнера.
-
Алгоритмическое и программное обеспечение для определения режимов и условий обработки, необходимых для достижения требуемого качества поверхности.
-
Методика анализа контактного взаимодействия абразивных гранул на полимерной связке с обрабатываемыми поверхностями сложного профиля для прогнозирования шероховатости поверхности по параметру Ra, разработанная на основе метода конечных элементов, с учетом статистических закономерностей распределения абразивных частиц по поверхности гранул.
-
Математическая модель формирования шероховатости поверхности при переменной скорости вращения и радиальных осцилляциях стенки контейнера.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов и условий обработки на качественные характеристики поверхности и производительность обработки.
Практическая ценность работы:
предложен новый способ обработки, защищенный патентом РФ, позволяющий повысить качество поверхностей деталей и эффективность центробежной обработки деталей в контейнерах с планетарным вращением;
разработано программное обеспечение для моделирования движения рабочей загрузки при планетарном движении контейнера с переменной скоростью вращения вокруг собственной оси и радиальными осцилляция- ми внутренней стенки, которое позволяет оценить эффективность обработки для назначенных технологических режимов;
разработана методика прогнозирования шероховатости поверхности по параметру Ra при использовании абразивных гранул на полимерной связке в качестве рабочей среды;
даны технологические рекомендации для регламентирования режимов и условий обработки, обеспечивающих стабильное достижение заданного качества поверхности.
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на предприятиях ОАО «Пензкомпрессормаш» и ООО «Феникс ТМ», г. Пенза. Достигнуто стабильное снижение шероховатости поверхности на труднодоступных участках сложного профиля деталей при повышении производительности обработки. Годовой экономический эффект составил 674 тыс. руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XIII-XV международных методических конференциях «Университетское образование» (г. Пенза, 2009-2011 гг.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (г. Новосибирск, 2007 г.); IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2008 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008 г.); всероссийских научно-практических конференциях «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (г. Пенза, 2007-2011 гг.); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (2006-2011 гг.).
Работа в полном объеме заслушана на заседании кафедры «Технология машиностроения» Пензенского государственного университета в октябре 2011 г. и рекомендована к защите.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 статей, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (две статьи без соавторов) и получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, включает 150 страниц текста, 87 рисунков, 8 таблиц, 4 приложения; список литературы содержит 145 наименований.
Похожие диссертации на Совершенствование центробежной объемной обработки деталей гранулированными рабочими средами путем интенсификации движения рабочей загрузки
-
-
-
