Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время отечественная промышленность выпускает более 90 тыс. типоразмеров метизной продукции: стальной проволоки, ленты, калиброванной стали, стальных канатов, металлических сеток, электродов, крепежных изделий, заводных пружин и пр., которые находят самое широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно в машиностроении. Проволока является широко распространенным материалом для изготовления пружин, армирования композиционных материалов, изготовления торсионов транспортных средств автомобильной и авиационной промышленности, применяется в производстве медицинского инструмента (иглы, эндоскопы) и др. Для повышения качества подобных изделий необходимо обеспечить прочностные показатели проволоки с максимальной эффективностью. Необходимая конструкционная прочность готового изделия зависит от формы, размеров и технологии изготовления, как проволоки, так и самого изделия.
Высокая конструкционная прочность проволоки достигается, если обеспечен нужный комплекс физико-механических свойств, в частности для пружинной проволоки это высокие значения предела упругости и усталостной прочности. Анализируя условия эксплуатации изделий из проволоки, можно сделать вывод, что состояние поверхностных слоев изделий определяют их рабочие качества. Требования, предъявляемые к качеству обработанной поверхности бунтовой проволоки, применяемой для изготовления высокоответственных изделий, не допускают наличия дефектов поверхностного слоя. Например, анализ излома пружин, работающих в условиях циклического нагружения, показывает, что в основном очаг зарождения усталостной трещины находится на крайних поверхностных «волокнах».
В настоящее время одним из наиболее широко применяемых методов для устранения поверхностных дефектов является лезвийная и абразивная обработка. Для обработки бунтовой проволоки с применением процессов волочения, обточки, шлифования или полирования в металлургии, трубной, метизной, шарикоподшипниковой и других отраслях промышленности наиболее широко применяются станки отечественного производства моделей 3180 и СЛ-501, а также оборудование изготовляемое фирмами «Ки-зерлинг», «Шумаг», «Хетран» и др. Имеющееся технологическое оборудование в основном ориентировано на обработку прутков и проволоки диаметром от 6 до 50 мм. При обработке заготовок диаметром до 56 мм все преимущества, характерные для указанных процессов исчезают, что обуславливается недостаточной жесткостью заготовки, малой площадью контакта инструмента и заготовки, и как следствие высокой теплонапряженностью процесса шлифования, приводящей к образованию прижогов и изменению физико-механических характеристик обрабатываемого материала.
Таким образом, на современном этапе известные методы обработки бунтовой проволоки не обеспечивают требуемых показателей по качеству поверхности. Избежать этого можно на основе новых технологических методов чистовой обработки поверхностей. Одним из прогрессивных методов обработки является обработка бесконечной шлифовальной лентой. Преимуществом этого метода являются более благоприятные условия резания за счет эластичности и упругости ленты, снижения сил резания, меньшей теплонапряженностью процесса обработки по сравнению с обработкой абразивными кругами и др.
В связи с этим представляется актуальной разработка оборудования и технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки, используемой для изготовления высокоответственных изделий, обладающих
высокими нагрузочными характеристиками, надежностью и долговечностью. Для этого необходимо изучить основные закономерности процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования путем исследования физико-механических, динамических и теплофизических явлений, сопровождающих шлифование абразивными лентами. Это позволит сформулировать теоретические основы процесса шлифования абразивными лентами и разработать технологические рекомендации по наиболее эффективному его использованию в промышленности.
Цель диссертационной работы: Разработка оборудования и высокоэффективной технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования длинномерных цилиндрических изделий малого диаметра, обеспечивающей повышение качества, производительности и экономичности обработки.
Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:
-
На основе анализа возможных методов обработки длинномерных цилиндрических изделий разработать схему обработки бунтовой проволоки малого диаметра методом ротационного ленточного охватывающего шлифования.
-
Исследовать процесс ротационного ленточного охватывающего шлифования;
-
Исследовать динамику ротационного ленточного охватывающего шлифования;
-
Исследовать тепловые явления в зоне резания с целью обеспечения требуемого качества поверхностных слоев обработанной заготовки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании;
-
Оптимизировать режимы ротационного ленточного охватывающего шлифования методом планирования и обработки результатов многофакторного эксперимента;
-
Разработать принципы проектирования и создания технологических машин для обработки бунтовой проволоки малого диаметра методом ротационного ленточного охватывающего шлифования, обеспечивающих высокую технологическую эффективность;
-
Разработать оборудование и технологию ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки диаметром до 6 мм из бунта в бунт.
Предмет исследований: Процесс и устройство ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра.
Методы исследований. Разрабатываемые математические модели и методики исследования включают в себя в полном объеме основные методы инженерного творчества, базирующиеся на методах математического моделирования, на средствах автоматизированного синтеза и поиска оптимальных технических решений и на современных технических средствах (компьютеры, графические станции, экспериментальная техника и различное периферийное оборудование).
Теоретические методы базируются на теориях математического моделирования и параметрической оптимизации, анализа сложных технических систем, дифференциальных уравнений и численных методов вычислений, программирования и методах планирования экспериментальных исследований. Расчетные исследования проведены на основе разработанных автором диссертации программных средств.
Научная новизна работы заключается:
-
Разработаны теоретические и технологические основы процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки малого диаметра с увеличенным углом охвата абразивной лентой обрабатываемой заготовки с использованием как одной, так и двух абразивных лент.
-
Решение проблемы управления процессом ротационного ленточного охваты-
вающего шлифования бунтовой проволоки основывается на выделении и моделировании основных подсистем процесса обработки – кинематической, динамической и теплофизической.
3. Разработана динамическая модель ротационного ленточного охватывающего
шлифования позволяющая определить диапазоны динамической устойчивости уст
ройства:
рациональный диапазон вынужденных колебаний абразивной ленты, находиться пределах 5,0436,2 кГц, при этом различные сочетания рабочих режимов и погрешности изготовления опорных роликов устройства не оказывают отрицательного влияния на рабочий процесс ленточного шлифования.
частота собственных колебаний зерна зависит от размеров зерна и жесткости связки. При работе устройства удельные натяжения в ленте, приходящиеся на единицу ширины, не превышают значений 0,7 кН/м, а частота собственных колебаний зерен изменяется в пределах 140250 кГц для зернистости 40Н (электрокорунд), до 600800 кГц для зернистости 5М (алмаз). Резонансных явлений в колебаниях зерна не наблюдается.
-
Работоспособность абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования зависит от количества режущих абразивных зерен и величины силы натяжения ленты, определяющей нагрузку на единичное абразивное зерно. Процесс резания протекает в условиях наименьшего износа абразивных зерен и засаливания абразивной ленты при величине натяжении ленты в диапазоне 6080 Н. Увеличение количества режущих абразивных зерен при ротационном ленточном охватывающем шлифовании обеспечивается путем увеличения ширины шлифования и увеличения длины дуги контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью.
-
При исследовании тепловых явлений установлены закономерности распределения температуры в зоне резания, показывающие, что участок проволоки, находящийся перед передним краем источника, не успевает нагреваться, так как скорость распространения теплоты в осевом направлении ниже скорости движения источника, а величина контактной температуры ниже температуры образования прижогов на шлифованной поверхности.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Созданы оборудование и технология ротационного ленточного охватывающего шлифования бунтовой проволоки из труднообрабатываемых материалов диаметром от 1,4 мм до 6 мм из бунта в бунт, обеспечивающие повышение качественных характеристик поверхностного слоя проволоки.
Разработаны принципы проектирования и создания технологических машин ротационного ленточного охватывающего шлифования в соответствии с современными требованиями технологии, качества, надежности, долговечности, промышленной и экологической безопасности.
Внедрены в практику, созданные автором диссертации, программные средства, базирующиеся на теоретических и экспериментальных исследованиях, позволившие существенно снизить производственные затраты на внедрение новой технологии и оборудования ротационного ленточного охватывающего шлифования.
Предложена методика оптимизации параметров процесса обработки бунтовой проволоки при ротационном ленточном охватывающем шлифовании методом планирования и обработки результатов многофакторного эксперимента (Свидетельство №2007613532), позволяющая обосновать необходимые технологические параметры процесса, обеспечивающие заданные эксплуатационные характеристики деталей.
Впервые предложена система автоматизированного расчета и отработки конструкции изделия на технологичность по частным показателям, включающая оценку качества объекта на ранних стадиях технологической подготовки производства (Свидетельство №2010615652).
Выполнен комплекс экспериментальных исследований качественных показателей обработанной поверхности и влияния тепловых явлений в зоне резания, как в процессе нарастания температуры, так и в установившемся режиме.
Разработанные положения технологии ротационного ленточного охватывающего шлифования и принципов построения технологического оборудования опробованы и внедрены в практику проектирования на предприятиях России (ОАО «Буммаш», ОАО «Ижсталь», ООО «Редуктор»), при выполнении НИР, ОКР и НИРС, а также в учебный процесс на кафедре «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование» ФГБОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т. Калашникова».
Монография, учебные пособия и разработанные программные пакеты используются в исследованиях аспирантов, магистрантов и в учебном процессе при подготовке студентов в Ижевском государственном техническом университете по специальностям машиностроительного направления, автомобилестроения, двигателестроения и механизации различных отраслей народного хозяйства.
Результаты работы были использованы при выполнении гранта Министерства образования РФ Т02-06.3-400 «Возможности абразивного инструмента в совершенствовании технологии производства»; при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.006 06492; при выполнении аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», номер государственной регистрации НИР: ВНТИЦ, 01.2.00 901933; при выполнении мероприятия №1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы / Государственный контракт № П1449 от 03 сентября 2009 года.
Обоснованность и достоверность. В процессе работы над диссертацией выполнены в достаточно большом объеме как по исковые научно-исследовательские, так и опытно-конструкторские работы. Достоверность исследований обеспечена обоснованностью теоретических положений, экспериментальной проверкой их в лабораторных и производственных условиях на экспериментальных образцах устройства с использованием математической статистики при оценке погрешностей.
Основные положения, выносимые на защиту:
- закономерности процесса ротационного ленточного охватывающего шлифования
бунтовой проволоки малого диаметра;
- динамические и тепловые модели ротационного ленточного охватывающего
шлифования;
оценка работоспособности абразивной ленты устройства ротационного ленточного охватывающего шлифования с учетом упругих свойств инструмента при резании;
оборудование и технология ротационного ленточного охватывающего шлифования с увеличенным углом охвата абразивным инструментом обрабатываемой заготовки;
рекомендации, направленные на совершенствование машин ротационного ленточного охватывающего шлифования при обработке бунтовой проволоки малого диаметра.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня: Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», г. Пермь, 2000-2002 г.г.; Третий международный конгресс «Машиностроительные технологии ‘01», Республика Болгария, 2001 г.; Международная научно-техническая конференция «Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин», г. Пенза, 2001 г.; Пятая сессия научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем», г. С.Петербург, 2002 г.; Международная конференция «Актуальные проблемы конструк-торско-технологического обеспечения машиностроительного производства», г. Волгоград, 2003 г.; Международная научно-техническая конференция «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение», г. Брянск, 2003 г.; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России», г. Тольятти, 2004 г.; г.; IV Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», г. Казань, 2005 г.; Седьмая Российская научно-техническая конференция «Прогрессивные технологии в транспортных системах», г. Оренбург, 2005 г.; II научно-техническая конференция аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление», г. Ковров, 2007 г.; 3, 5, 6 Всероссийские научно-технические конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса», г. Екатеринбург, 2005, 2008, 2009 г.г.; Всероссийская научно-техническая конференция с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области машиностроения», г. Тольятти, 2009 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Научное обеспечение инновационного развития АПК», г. Ижевск, 2010 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Машиностроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства», г. Ижевск, 2012 г. и др.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 1 монография; 4 учебных пособия; 73 статьи в журналах, сборниках и научных изданиях, в том числе 19 рекомендованных ВАК для публикации результатов исследований докторских диссертаций, 4 в зарубежных журналах; получено 5 патентов на изобретения и 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, восьми глав, основных результатов и выводов, библиографического списка из 291 наименований. Работа включает в себя 348 страниц текста, в том числе 137 рисунков, 46 таблиц и приложения.
