Введение к работе
Актуальность. Повышение качества, надежности и долговечности изделий авиационной техники, судостроения, энергосиловых установок на протяжении многих десятилетий и в настоящее время является важной народнохозяйственной проблемой, над которой работают многие специалисты в нашей стране и за рубежом. Эта проблема стала особенно актуальной в связи с созданием новых поколений вертолетов, самолетов, судов, двигателей и обострившейся конкуренцией на мировом рынке. В конструкции упомянутых типов изделий входят группы высоконагруженных деталей, надежность и долговечность которых, в значительной мере определяет ресурс работы и надежность всего изделия. Значительное количество такого рода деталей имеют сложную форму, большие размеры, ограниченную жесткость и высокие требования к параметрам качества поверхности и поверхностного слоя.
Характерным примером такого типа деталей являются: лонжерон лопасти несущего винта вертолета, элементы крыла и фюзеляжа (панели) самолета, детали турбореактивных двигателей, судов, энергосиловых установок, редукторов и др.
Указанные детали в зависимости от типа изделия и его назначения имеют различные конструктивные формы и размеры, изготавливаются из различных материалов - конструкционные легированные стали, алюминиевые, титановые сплавы, жаропрочные и нержавеющие стали. Общей отличительной особенностью являются: сложная форма, большие размеры (крупногабаритные), большая длина (длинномерные), ограниченная жесткость; преимущественно это полые, сложной конфигурации детали с ограниченной толщиной стенок, с изменяющимися по длине размерами поперечного сечения.
К качеству поверхности предъявляются высокие требования, обусловленные тяжелыми условиями эксплуатации - высокий уровень знакопеременных нагрузок, высокие скорость и контактные нагрузки, колебания температурного градиента, коррозионные и эрозионные процессы. В этой связи шероховатость поверхности ограничивается - Ra=0,5-^1,25 мкм, оговаривается структура и направленность микрорельефа; поверхностный слой подвергается упрочняющей обработке ППД. Отмеченные особенности требуют нетрадиционного подхода к решению технологических задач упрочняющей обработки: разработке и совершенствованию методов виброударного воздействия, новых технологических схем виброударной обработки деталей рассматриваемого класса, создания специализированного оборудования и инструментов.
Разработка эффективных технологических методов и средств отделочно-упрочняющей обработки высоконагруженных деталей, определяющих надежность и ресурс работы изделий, является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.
В этой связи целью работы являются: технологическое обеспечение качества, на основе создания новых высокоэффективных методов и технологических средств виброударной отделочно-упрочняющей обработки тяжелонагруженных крупногабаритных и длинномерных деталей сложной формы высокотехнологичных изделий, обеспечивающих повышение их качества, надежности и ресурса работы.
Для достижения поставленной цели сформулированы задачи и выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований.
Задачи исследований:
-
Разработка и обоснование новых технологических схем виброударной обработки длинномерных и крупногабаритных деталей сложной конфигурации, на основе применения многоконтактных виброударных инструментов и использования эффекта вибротранспортирования обрабатывающей среды по обрабатываемой поверхности детали, достижения за счет этого наибольшего к.п.д. виброударного воздействия.
-
Разработка математического обеспечения для расчета конструктивно-технологических параметров основных элементов технологического оснащения (оборудования и многоконтактных инструментов) виброударной обработки.
-
Разработка математических моделей распространения ударного импульса в системе многоконтактного виброударного инструмента и транспортно-обрабатывающей технологической системы виброударной обработки длинномерных и крупногабаритных деталей сложной формы.
-
Анализ и систематизация конструктивно-технологических особенностей виброударной обработки деталей нетрадиционных форм и размеров; разработка их классификации; разработка обобщенной классификации схем виброударного воздействия при обработке деталей упомянутого класса.
-
Исследование влияния конструктивно-технологических параметров различных схем виброударной обработки на качество поверхностного слоя; установление возможности регулирования равномерности упрочняющей обработки поверхности деталей сложной формы и большой протяженности.
-
Экспериментальные исследования, технологические испытания и промышленная апробация новых технологических схем и конструкций многоконтактных инструментов для виброударной упрочняющей обработки крупногабаритных и длинномерных деталей сложной формы; разработка и исследование имитационных моделей новых технологических схем виброударной обработки.
-
Исследования и сравнительные испытания влияния параметров качества поверхности при виброударной обработке на важнейшие эксплуатационные свойства деталей.
-
Разработка классификации и методики расчета основных элементов конструкций технологического оборудования и инструментов для виброударной обработки длинномерных и крупногабаритных деталей сложной формы.
-
Технико-экономический анализ и технологические рекомендации для практического применения результатов исследований.
Методы и объект исследований.
Объектом исследований является технология виброударной отделочно-упрочняющей обработки силовых деталей класса крупногабаритных и длинномерных сложной формы, входящих в конструкции высокотехнологических изделий -летательных аппаратов, судов, энергосиловых и транспортных устройств. При выполнении работы использовалась общенаучная методология, характеризуемая комплексом теоретических и экспериментальных исследований, использованием математического, физического, имитационного методов моделирования, отдельных фрагментов компьютерного моделирования виброударных систем. Теоретические положения базируются на научных представлениях и законах теории колебаний и виброударных систем, механики деформируемых сред, формирования и трансформации состояния поверхностного слоя деталей; технологии машиностроения, материаловедения, теории механизмов и машин.
Экспериментальные исследования выполнены с использованием известного и оригинального опытного оборудования, имитационных моделей, фрагментов изделий авиационной техники; современных методов и средств измерений; испытания опытных конструкций оборудования и инструментов выполнены в лаборатории ДГТУ и ОАО «Роствертол».
На защиту выносятся следующие основные результаты:
- теоретико-экспериментальные исследования распространения ударных им
пульсов в замкнутом объёме уплотненной среды стальных шаров - как модель мно
гоконтактного виброударного инструмента;
теоретико-экспериментальные исследования и разработка новых технологических схем виброударной обработки деталей нетрадиционных форм и размеров (класса крупногабаритных и длинномерных сложной конфигурации);
обобщенная классификация технологических схем виброударного нагружения при обработке крупногабаритных и длинномерных деталей сложной формы;
совокупности теоретико-экспериментальных зависимостей, характеризующих закономерности виброударного нагружения очага деформации для расчета энергии соударения, затрачиваемой на осуществление упругопластической деформации при виброударном воздействии, с учетом геометрии контактных элементов инструмента и динамических параметров виброударной системы; определения глубины наклёпанного слоя, исходя из показателей кривизны контактирующих поверхностей инструмента (или рабочей среды) и обрабатываемой детали, энергии удара, затрачиваемой на упругопластическую деформацию при виброударном воздействии и свойств обрабатываемого материала;
рекомендации по назначению геометрических параметров контактных элементов виброударных инструментов (и обрабатывающих сред), а также комплекс аналитических и эмпирических зависимостей для расчета основных элементов конструкции инструментов и оборудования для виброударной обработки;
технология виброударной упрочняющей обработки ППД крупногабаритных и длинномерных деталей сложной формы; рекомендации по выбору режимов и технологического оснащения.
Связь с научно-техническими программами: представленное в диссертации научное исследование связано с выполнением комплексной научной программы «вибрационные технологии»; программой «Энерго- и ресурсосберегающие технологии» Федерального агентства по образованию РФ (МАИ, МАМИ), темы ЕЗН.
Научная новизна полученных результатов заключается:
в теоретическом обосновании и разработке новых технологических схем виброударной упрочняющей обработки деталей нетрадиционных форм и размеров (крупногабаритные и длинномерные детали сложной формы), результатом которого являются аналитические и эмпирические зависимости, устанавливающие взаимосвязь параметров виброударного воздействия и изменения качества поверхностного слоя;
в определении технологических возможностей и создании технологической инфраструктуры виброударной упрочняющей обработки силовых деталей класса крупногабаритных и длинномерных сложной формы, включающей теорию прогнозирования параметров качества поверхности; технологическое оснащение, методы расчета конструктивных параметров многоконтактных виброударных инструментов и оборудования для поэлементной и адресной виброударной обработки; технологи-
ческие рекомендации, что обеспечивает решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение - повышение усталостной прочности и износостойкости тяжелонагруженных деталей высокотехнологичных изделий;
в теоретическом обосновании конструкций многоконтактных виброударных инструментов для отделочно-упрочняющей обработки ППД деталей нетрадиционных форм и размеров (крупногабаритные и длинномерные детали сложной формы);
в разработке математической модели процесса обработки и методики расчета конструктивных параметров многоконтактных виброударных инструментов;
- в теоретическом обосновании и разработке транспортно-обрабатывающей технологической системы (ТОТС) виброударной обработки длинномерных деталей сложной формы (в том числе с изменяющейся по длине формой поперечного сечения), обеспечивающей непрерывность и равномерность обработки, формирование стабильности параметров качества поверхностного слоя и наиболее высокий к.п.д. виброударного воздействия обрабатывающей среды на поверхность обрабатываемой детали;
- в теоретическом и экспериментальном обосновании требований к параметрам
виброударной обработки поверхностей различной кривизны крупногабаритных и
длинномерных деталей, обеспечивающем требуемые показатели качества поверхно
стного слоя, результатом которых является аналитико-эмпирические зависимости,
описывающие взаимосвязь энергии виброударного воздействия с характером фор
мирования системы пластических отпечатков на обрабатываемой поверхности, об
разованием шероховатости, микротвердости и остаточных напряжений поверхност
ного слоя детали.
Практическая ценность работы заключается в:
разработке технологии виброударной обработки деталей нетрадиционных форм и размеров, оборудования и инструментов для реализации процесса;
разработке оригинальной схемы обработки транспортно-обрабатывающей технологической системы виброударной обработки длинномерных деталей сложной формы (на примере лонжерона лопасти несущего винта вертолета);
разработке методики расчета основных элементов конструкций специального оборудования и инструментов для виброударной обработки крупногабаритных и длинномерных деталей сложной формы;
разработке технологических рекомендаций по выбору параметров виброударной обработки деталей для достижения требуемых характеристик качества поверхностного слоя.
Результаты исследований прошли промышленную апробацию на ряде предприятий авиационной промышленности (ОАО «Роствертол», Лопастной завод (г. Ростов-на-Дону), ТагАВИА (г. Таганрог)) и рекомендованы для реализации.
Отдельные результаты используются в учебном процессе (в лекционных курсах, в лабораторных работах, широко используются в студенческих НИРС, в ходе курсового и дипломного проектирования и магистерских диссертациях).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах, конференциях, симпозиумах различного уровня: международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в машиностроении (г. Самара, 2002г.); международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (г. Волгоград, 2003 г.); научно-техническая конференция «Процессы обработки прецизионных поверхностей» (г. Сеул, Южная Корея, 2002 г.); научно-технический семинар «Применение низкочастотных колебаний в технологических целях» (г. Ростов-на-Дону, Полтава, Винница, Курск, Днепропетровск, 2004, 2005, 2006,2007г.г.); научно-техническая конференция «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Донецк, Севастополь, Украина, 2006 г.); Международная научно-техническая конференция «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений» (г. Рыбинск, 2006г.); научно-техническая конференция «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение» (г. Брянск, 2003г.); международная научно-техническая конференция «Вибрации в технике и технологиях» (г. Днепропетровск, Украина, 2007г.); 6-я Международная научно-техническая конференция «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008г.); научно-техническая конференция ППС ДГТУ (г. Ростов н/Д, 2005 г., 2006г., 2007г., 2008г.).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано более 30 работ, в том числе монографии и учебные пособия: «Отделочно-упрочняющая обработка деталей многоконтактным виброударным инструментом», 2003г., 191с; «Применение вибрационных технологий для повышения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей», 2006г., 215с; «Физико-технологические методы обработки», 2007г., Справочник, 477с; «Основы научных исследований в технологии машиностроения», 2007г., учебное пособие, 215с; «Методика расчета основных элементов оборудования для вибрационной обработки деталей», 2006г., учебное пособие, 40с; «Применение вибрационных технологий на операциях отделочно-зачистной обработки деталей», 2008г., научная монография,210с (в работе).
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы (172 наименований) и 3-х приложений; изложена на 235 страницах машинописного текста, включает 95 рисунков, 17 таблиц, 7 приложений.
