Введение к работе
Актуальность общемировая тенденция непрерывного повышения требований к качеству, надежности и долговечности выпускаемой продукции ставит перед отечественным машиностроением комплекс проблем, связанных с разработкой новых высокопроизводительных технологий изготовления деталей и совершенствованием существующих. Решение этой сложной технико-экономической задачи не может быть в полной мере осуществлено широко распространенным в настоящий момент экспериментальным методом определения технологических условий механообработки. Малая гибкость и оперативность экспериментального метода приходят в противоречие с современными требованиями сокращения сроков технологической подготовки производства новых изделий. Разработка технологий, их структурная и параметрическая оптимизация уже невозможна без применения новых подходов к их формированию, без соответствующего математического и программного обеспечения.
Системный анализ ожидаемого уровня параметров качества деталей, разработка математического, программного и аппаратного обеспечения их прогнозирования, создание методов структурной и параметрической оптимизации является источником повышения эффективности разрабатываемых технологических процессов при производстве конкурентоспособной техники с высокими эксплуатационными характеристиками. В связи с вышеизложенным весьма актуальным является разработка обобщенной методологии поиска и оценки ожидаемой эффективности новых средств и способов технологического воздействия на процесс механической обработки, создание методов идентификации технологических процессов по параметрам качества изготавливаемых деталей. Обоснованное нормирование операций механической обработки может быть успешно решено аналитическим методом определения режимов резания, основу которого составляют обобщенные математические модели, устанавливающие связь между всеми параметрами процесса резания.
Актуальность темы подтверждается включением ее в комплексную программу «Авиационная технология» по ряду направлений.
Целью работы является решение научно-технической проблемы повышения эффективности процессов механообработки по параметрам качества поверхностного слоя деталей и изнашивания режущих инструментов на основе аналитической оценки напряженного состояния рабочей зоны контакта инструмента и заготовки.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать теоретическую модель распределения напряжений в приповерхностных слоях инструмента и заготовки при их контактном взаимодействии в различных температурно-силовых условиях процесса механообработки.
-
Установить механизм формирования поверхностного слоя деталей при их механической обработке и оценить степень непосредственного и косвенного, через изменение параметров фрикционного контактного взаимодействия инструмента и заготовки, влияния на этот процесс температурного и силового факторов.
-
Исследовать закономерности процесса изнашивания режущего инструмента при точении и установить взаимосвязь его характеристик с параметрами фрикционного контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов.
-
Разработать теоретико-экспериментальный метод, алгоритмы и программное обеспечение расчета параметров состояния поверхностного слоя деталей и интенсивности изнашивания режущих инструментов по результатам исследования фрикционного контактного взаимодействия.
-
Выполнить экспериментальную проверку полученных математических моделей; изучить влияние технологических условий механообработки на параметры качества поверхностного слоя деталей и интенсивность изнашивания инструментов.
6. Исследовать возможность применения разработанного теоретико-
экспериментального метода для анализа технологической наследственности па
раметров состояния поверхностного слоя на различных этапах технологического
процесса изготовления деталей и для его структурной оптимизации.
7. Разработать рекомендации по технологическому обеспечению требуемых, па
раметров качества поверхностного слоя и минимкзаігяк интенсивности изнаши
вания режущих инструментов.
Научная новизна работы. Теоретически рассмотрен механизм формирования поверхностного слоя деталей и изнашивания режущих инструментов, что позволило установить новые научные результаты и положения:
- в области процессов резания металлов
-
Установлены закономерности распределения упругих напряжений в поверхностном слое заготовки при одновременном действии нормальных и касательных контактных нагрузок; выявлен механизм деформационных и контактных процессов, заключающийся в учете напряженного состояния зоны контакта инструмента и заготовки.
-
Разработан новый теоретико-экспериментальный метод расчета показателей качества обработанного поверхностного слоя деталей при механообработке, который реализован в виде математических моделей, их алгоритмов и программного обеспечения и отличающийся от существующих:
- возможностью применения для различных методов механической обработки;
-учетом объемного напряженного состояния приповерхностных слоев инстру
мента и заготовки в зоне их контакта;
-возможностью исследования показателей деформационного упрочнения и технологических остаточных напряжений во всей области ОПС детали;
-использованием фрикционных характеристик контакта инструментального и обрабатываемого материалов с учетом температуры и нормальных нагрузок.
3. Установлено, что:
-силовой фактор может формировать различные по характеру технологические остаточные напряжения (как сжимающие, так и растягивающие); -при прочих равных условиях характер распределения остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя обусловлен, главным образом, величиной коэффициента трения, а их численные значения - нормальными напряжениями на контакте инструмента и заготовки;
-в масштабе реального времени поверхностный слой детали вначале формируется под действием силового фактора, а затем начинает действовать температурный; -температура в формировании ОПС проявляется косвенно (через силовое воздействие инструмента на заготовку), непосредственно и как фактор последействия, способствующий релаксации уже сформированных остаточных напряжений;
4. Определены условия минимизации выходных параметров механообработки.
Показано, что напряженное состояние приповерхностных слоев инструмента и
заготовки в значительной степени определяется нормальными напряжениями р
на контакте и коэффициентом трения f, с ростом которого величина максимальных касательных напряжений Ттах» определяющих начато пластических деформаций или разрушения материала, снижается. Установлено, что при
f = fmax (если f{0,5) или при f и 0,5t ma* достигает наименьшего значения, что является условием минимизации глубины и степени упрочнения ОПС, шероховатости поверхности детали и интенсивности изнашивания режущего инструмента.
5. При лезвийной обработке температура, при которой обеспечивается условие
f = f max или f «0,5, инвариантна геометрии режущего инструмента (СХ, щ >
у, ф, фг, rB , ?t и т.д.), режиму (подаче, глубине резания), применению СОТС,
покрытий; виду (точению, протягиванию, фрезерованию, сверлению и т.д.), то есть всем факторам, не оказывающим непосредственное влияние на фрикционные характеристики контакта инструмента и заготовки. Это объясняет известную инвариантность оптимальной температуры резания всем указанным входным условиям обработки. - в области технологии машиностроения
6. Установлены закономерности изменения физико-механического состояния по
верхностного слоя на различных этапах изготовления детали. Показано, что тех
нологическое наследование параметров упрочнения поверхностного слоя и оста
точных напряжений обуславлено, главным образом, фрикционными характери
стиками контакта инструмента и заготовки на рассматриваемой операции и проч
ностными свойствами поверхностного слоя детали, сформированными на преды-
дущей операции механической обработки. Предложен метод анализа технологической наследственности при механической обработке деталей. 7. Разработаны новые принципы-.
- выбора средств технологического обеспечения требуемых выходных парамет
ров процессов механической обработки деталей (применение СОТС, насыщение
материалов заготовки и инструмента химическими элементами, лазерная обра
ботка и т.д.);
-структурной оптимизации существующих и вновь разрабатываемых технологических процессов по параметрам качества обработанного поверхностного слоя деталей.
Практическая иенность. На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методики, новые способы (а.с. №1386423) технологического воздействия на заготовку, программное обеспечение ЭВМ, позволяющие решать следующие практические задачи технологической подготовки производства:
-рассчитывать на ЭВМ параметры физико-механического состояния поверхностного слоя после различных методов механической обработки (глубину и степень упрочнения, предел текучести упрочненного материала; нормальные, тангенциальные и осевые остаточные напряжения);
-оценивать эффективность новых способов технологического воздействия на заготовку с целью получения требуемого уровня показателей качества обработанной детали и ее эксплуатационных свойств;
производить структурную и параметрическую оптимизацию технологического процесса механической обработки деталей;
анализировать технологическую наследственность обработанного поверхностного слоя по параметрам его состояния на различных этапах механической обработки;
осуществлять в учебных целях имитационное моделирование состояния обработанного поверхностного слоя при создании различных температурно-силовых условий процесса механической обработки;
выбирать рациональные марки инструментальных материалов и назначать технологические режимы механической обработки, обеспечивающие стабильность получения параметров упрочнения, остаточных напряжений в обработанном поверхностном слое;
-оценивать обрабатываемость конструкционных материалов по новым показателям Кх> Кт > учитывающим параметры напряженного состояния режущего лезвия и его прочностные характеристики;
- регулировать параметры физико-механического состояния обработанного по
верхностного слоя за счет новых способов воздействия на заготовку (а. с.
№1379681,2);
-выявлять причины появления трещинообразований на обработанной поверхности и определять пути их устранения и предотвращения.
Реализация результатов работы; Результаты работы внедрены -на ведущих предприятиях Минавиапрома (Уфимском моторостроительном производственном объединении, конструкторском бюро "Матор" , Самарском моторном заводе), в проблемной лаборатории Уфимского авиационного института с общим экономическим эффектом более 500 тыс. рублей (в ценах до 1985 года), на Кумертауском авиационном промышленном предприятии и на ОАО НИИТ (экономический эффект более 500 млн. рублей в ценах 1996-97 гг.). Эффект получен за счет повышения производительности труда, снижения расхода инструментального материала и уменьшения производственного брака, совмещения технологических операций и других факторов; разработки алгоритмов и программного обеспечения системы определения оптимальных режимов резания. Выполнены исследовательские работы для Пермского и Самарского моторостроительных производственных объединений, ГУУАП "Гидравлика", Самарского моторостроительного производственного объединения им. Фрунзе, Уфимского завода чертежных приборов, Ульяновского производственного комплекса;
- в учебном процессе в виде учебных пособий "Процессы на контактных поверхностях, износ режущего инструмента и свойства обработанной поверхности" (соавторы Постнов В.В., Шустер Л.Ш.), "Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин" и методических указаний к лабораторной работе "Расчет физико-механических характеристик механически обработанного поверхностного слоя" и при выполнении курсовых и исследовательских дипломных проектов по дисциплине "Технологические процессы и произ-водства '', "Идентификация и управление технологическими процессами", при подготовке магистерских диссертаций.
Апробация работы. Основпые положения и результаты работы представлены и обсуждены на 58 научно-технических конференциях, в том числе на 30 Всесоюзных, Международных и Российских конференциях и семинарах по проблемам формирования поверхностного слоя обрабатываемых деталей; трения и изнашивания в машинах; теплофизике технологических процессов: Ташкент, 1975, 1985; Брянск, 1976, 1985; Тольятти, 1976, 1984, 1988; Фрунзе, 1978; Киев, 1980; Кишинев, 1985; Батуми, 1985; Нальчик, 1986; Ленинград, 1986; Горький, 1987; Хмельницкий, 1988; Ворошиловград, 1988; Запорожье, 1989; Краматорск, 1993; Рыбинск, 1979, 1989, 1992, 1994, 1996; Уфа, 1975, 1978, 1994, 1996, 1997, 1999; Москва, 1987,1988, 1995; Пермь, 1996; Иваново, 1997. В том числе: на Все-союзн. научи, техн. конф. "Теория трения, износа и смазки" (Ташкент, 1975), "Теплофизика технологических процессов" (Тольягти 1975,1984,1988; Рыбинск 1992, 1996 ), Всесоюзн. научн. семинарах "Проблемы трибологии производст-ва"(Иваново 1997), "Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин" ( Москва 1995).
Материалы работы экспонировались на ВДНХ СССР в 3977 г. и в 1988 г., четыре экспоната - на выставке "Машиностроительная технология 87", удостое-
ны серебряной медали ВДНХ СССР. Полностью работа обсуждалась на заседании головного совета Госкомитета но высшей школе, в РТАТИ (г. Рыбинск), МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва),на выездном заседании головного совета "Машиностроение".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 115 печатных работ, в том числе три авторских свидетельства.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоят из введения, семи глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Она содержит 233 страницы машинописного текста и 234 наименования использованной литературы, 141 рисунка. В приложении приведены дополнительный иллюстративный материал, расчеты, акты внедрения и другие документы. Общий объем работы вместе с приложением 450 страниц.
