Введение к работе
Актуальность темы. В производстве сложных деталей для уменьшения величины или удаления дефектного поверхностного слоя (ПС) внутренних поверхностей применяют специальные методы финишной обработки (ФО). К таким методам относится абразивно-экструзионная обработка (АЭО), заключающаяся в перепрессовании вязкоупругой, наполненной абразивными зернами (A3) рабочей среды (PC) под давлением 5...12 МПа вдоль обрабатываемой поверхности канала.
Практика применения АЭО показала, что по ряду причин в России этот метод, являющийся разновидностью струйной абразивной обработки, не получил широкого применения. В настоящее время он применятся преимущественно для ФО каналов с постоянной формой поперечного сечения.
При изменении формы поперечного сечения обрабатываемого канала при АЭО изменяются условия течения PC, а, следовательно, и режимы обработки. Это приводит к неравномерности обработки ПС по шероховатости и величине съема металла по длине обрабатываемого канала. Для устранения влияния изменения формы поперечного сечения применяют способ АЭО с выравнивающими приспособлениями, преобразующими форму поперченного сечения обрабатываемого канала от сложно-переменной к простой и постоянной по всей длине форме.
Для описания движения потока среды в обрабатываемом канале простой формы сечения (плоская щель, окружность, кольцевой зазор) применяют точные решения уравнений гидродинамики. Однако в этих моделях не учтено влияние возникающих в среде нормальных напряжений и изменения температуры, которые, как показывает практика, оказывают существенное влияние на процесс обработки.
В настоящее время технологический процесс (ТП) АЭО деталей с переменной формой сечения разрабатывается и управляется при помощи эмпирических зависимостей, что при внедрении технологии АЭО в производство новых деталей требует существенных расходов, связанных с большим объемом дополнительных исследований по выбору параметров ТП. Как следствие, для окончательной обработки деталей с переменной формой сечения до сих пор применяют менее эффективные методы финишной обработки, в том числе и ручную доводку.
Таким образом, существует проблема обеспечения равномерности шероховатости поверхности при обработке каналов с переменной формой поперечного сечения. Для ее решения необходимо разработать методику расчета параметров технологии АЭО с использованием выравнивающего устройства, что позволит сократить расходы на подготовку производства новых деталей и расширит технологические возможности данного способа ФО.
В этой связи тема диссертационной работы является актуальной. Диссертационная работа выполнена на основании исследований, проведенных в рамках федеральной целевой программы «Научные, научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».
Целью работы является совершенствование технологии абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой сечения.
Основные задачи исследования:
1 Выполнить конструктивно-технологический анализ деталей с переменной формой сечения, дать оценку современного уровня и технологических возможностей процесса АЭО с использованием выравнивающих устройств, выявить основные проблемы и направления развития этого способа.
2 Для обеспечения равномерности обработки экспериментально уточнить
характер течения рабочей среды в каналах с переменной формой сечения и в
кольцевой щели, разработать рекомендации по управлению технологическим
процессом АЭО таких деталей.
3 Провести исследования влияния нагрева рабочей среды на условия обработки
с использованием выравнивающего устройства.
4 Разработать методику расчета параметров технологического процесса
абразивно-экструзионной обработки каналов с переменной формой сечения.
5 Выполнить сравнительный анализ полученных результатов по предложенной
методике с данными полученными экспериментальным путем и результатами
обработки на натурных деталях.
Методы исследования. Общий подход к решению проблемы основан на математическом моделировании процесса АЭО. Для решения поставленных задач использовались научные основы процесса АЭО, основанные на теоретических и экспериментальных методах исследования, теории течения жидкостей, реологии полимеров и теплофизического анализа. При проведении исследований использовалась теория научного эксперимента, теория планирования многофакторных экспериментов, средства измерительной и вычислительной техники. На основе теоретических разработок выполнены эксперименты на опытных образцах и натурных деталях с переменной формой поперечного сечения.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории отделочных методов обработки Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева, а также в производственных условиях ЗАО «Спецтехномаш».
Достоверность полученных результатов и правомерность принятых допущений подтверждены экспериментальными данными, обработка которых осуществлялась в соответствии с ГОСТ 8.207-76 «Государственная система обеспечения единства измерений. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения». Адекватность полученных моделей проверялась при помощи статистических методов оценки с использованием критерия Фишера.
Научная новизна. Впервые создан способ абразивно-экструзионной обработки каналов, выполненных в форме цилиндра, переходящего в конус, который обеспечивает равномерную обработку всех поверхностей канала с шероховатостью Ra = 0,20...0,25 мкм.
Предложена методика расчета параметров технологического процесса (давления, расхода PC, количества активных A3) абразивно-экструзионной обработки каналов с применением выравнивающих устройств, позволяющих изменять условия сдвигового течения рабочей среды в кольцевой щели.
Получена эмпирическая модель степени влияния нагрева рабочей среды на основные технологические параметры (шероховатость и величину съема металла) при обработке деталей с применением выравнивающего устройства.
Практическая значимость работы заключается в решении важной проблемы по расширению технологических возможностей АЭО и снижения сроков подготовки производства новых деталей с переменной формой сечения за счет использования методики расчета параметров технологических процессов обработки с выравнивающими устройствами.
Внедрение метода обеспечило сокращение объема и сроков экспериментальных исследований при разработке ТП АЭО новых деталей в опытном производстве на ЗАО «Спецтехномаш» в 6,5 раз. Основные результаты работы используются в учебном процессе на кафедре Технологии машиностроения Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.
На защиту выносятся:
результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса абразивно-экструзионной обработки деталей с каналами переменной формой сечения;
модель течения рабочей среды при абразивно-экструзионной обработке кольцевых каналов;
модель тепловых процессов при абразивно-экструзионной обработке с применением выравнивающих устройств;
методика расчета технологических параметров абразивно-экструзионной обработки с применением выравнивающих устройств;
- практические рекомендации по применению выравнивающих устройств для
абразивно-экструзионной обработки деталей с переменной формой поперечного
сечения.
Личный вклад соискателя. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, приведенных в данной работе, получены автором самостоятельно. Автору принадлежат постановка проблемы и задач исследований, выбор методик проведения и выполнение экспериментов, обработка полученных результатов, разработка аналитических и эмпирических моделей, подача заявки на патент, непосредственное выполнение опытно-промышленных испытаний и внедрение в производство научных разработок, написание статей и докладов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на международных и всероссийских научных конференциях.
Публикации. Результаты работы опубликованы в 17 научных работах, в том числе 8 статьях в журналах из перечня ВАК, 1 патенте на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа объемом 159 страниц машинописного текста содержит 52 рисунка, 11 таблиц и список литературы, включающий 172 наименования.
