Введение к работе
Актуальность проблемы.
Эксплуатация многих деталей машин происходит в условиях многофакторного внешнего воздействия В технологии их изготовления наибольшее внимание уделяется упрочнению поверхностного слоя деталей машин, так как именно он определяет поверхностную усталостную прочность и износостойкость деталей Спектр методов поверхностного упрочнения достаточно широк Следует отметить, что в последние годы отчетливо наблюдается тенденция к увеличению доли поверхностной обработки связанной с термическим воздействием на поверхностный слой Это объясняется, прежде всего, возникновением новых концентрированных источников энергии таких, как плазма, лазер, электронный луч, высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ)
Использование этих источников энергии при поверхностной закалке сталей позволяет обеспечить необходимый комплекс физико-механических свойств упрочненного слоя Для обеспечения точности геометрических параметров деталь, согласно построению традиционного технологического процесса, после поверхностной термической проходит стадию финишной механической обработки При этом в зоне резания возникают значительные температуры, приводящие к изменению структуры поверхностного закаленного слоя, что приводит к ухудшению физико-механических свойств упрочненного слоя Наиболее эффективным средством снижения отрицательного воздействия окончательной механической обработки на свойства упрочненного слоя является минимизация припуска
Достичь максимального уменьшения величины припуска возможно при выполнении операций финишной механической и поверхностной термической обработки на одном технологическом оборудовании В настоящее время в технологическом процессе данные операции традиционно разделены, то есть выполняются на разных производственных участках на различном технологическом оборудовании При этом с учетом погрешностей, возникающих на предыдущей стадии технологического процесса, деформации материала при термическом упрочнении и погрешностей переустановки деталей, припуск на чистовую обработку приходится назначать достаточно большим (до 40 % глубины упрочнения, заданной чертежом) Следовательно, на термической операции необходимо обеспечить большую, чем заданную чертежом глубину упрочнения, а затем, на финишной механической операции, удалять наиболее эффективную часть поверхностного слоя Это в целом приводит к повышенным затратам энергии и снижению производительности обработки на обеих операциях и, зачастую, к появлению дефектов в поверхностном слое
Перспективность комбинирования физических процессов для создания новых методов в электротехнологии подтверждена исследованиями Э Я Гродзин-ского, В П Смоленцева, В В Любимова, Н И Иванова и других Кроме того, на международных выставках METAV 92 и ЕМО 2003 было отмечено, что наиболее перспективным направлением развития металлообрабатывающего оборудования
является создание комплексов, позволяющих совмещать на одном станке несколько процессов, причем в самых различных сочетаниях
Эту идею реализует целый ряд существующих комбинированных методов обработки' электромеханический, фрикционный, лазерно-ультрозвуковой, плаз-менно-ультразвуковой В связи с тем, что самым распространенным процессом финишной механической обработки является абразивное шлифование, большой интерес представляют работы ЯМ Наермана, Ю А Бояршинова, В А Аксенова, в которых доказана возможность упрочнения незакаленных конструкционных и инструментальных сталей в процессе шлифования. Упрочняющее шлифование характеризуется повышенной теплонапряженностью процесса, что способствует развитию в зоне резания высоких температур и с учетом большой длительности теплового контакта создает благоприятные условия для протекания в поверхностном слое металла необходимых структурно-фазовых превращений
Данный метод, наряду с очевидными преимуществами, обладает существенными недостатками Процесс упрочняющего шлифования сопровождается большими силами резания и высокой температурой, что приводит к пластическому течению металла и образованию заусенцев по краям обрабатываемой поверхности Это, в свою очередь, требует дополнительной технологической операции и определенных затрат по их удалению. Большие силы резания повышают требования к размерной стойкости инструмента и жесткости шпиндельного узла станка Диапазон изменения удельной мощности нагрева, равный 20 40 МВт/м2, ограничивает производительность обработки Все эти недостатки существенно сужают область использования упрочняющего шлифования
В связи с этим поиск новых методов комбинированной обработки деталей, фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования физических процессов, происходящих в материале при их реализации, являются актуальной задачей современного машиностроения Интеграция операций поверхностной закалки и последующего шлифования на одном технологическом оборудовании, представленная в данной работе, рассматривается как один из реальных путей решения обозначенной проблемы
Данная диссертационная работа выполнялась в рамках государственных научно-технических программ программа Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам в области ядерной техники и физики пучков ионизирующих излучений (раздел № 8 "Электронные пучки и научно-технологические основы их применения", 1998-2000 гг), программа Министерства образования РФ по фундаментальным проблемам в области технических наук (раздел № 5 -"Металлургия" - "Металловедение Порошковая металлургия", 2001-2002 гг), федеральная целевая научно-техническая программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002 - 2006 гг (государственный контракт 02 438 11 7025 на научно-исследовательскую работу по теме 2005-РИ-16 0/024/023).
Цель работы: повышение производительности и снижение энергозатрат финишной стадии технологического процесса обработки деталей машин, содержащей операции поверхностной закалки и шлифования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи
1 Определить путем численного моделирования температурных полей значения параметров термических циклов, реализуемых в материале в процессе шлифования и поверхностной закалки с использованием ВЭН ТВЧ и концентрированного электронного пучка (КЭП), а также установить их зависимость от технологических режимов обработки
2, Осуществить моделирование структурно-фазовых превращений в сталях и провести экспериментальные исследования состава структур упрочненного слоя с целью выявления взаимосвязи между значениями параметров термических циклов и характеристиками качества упрочненного слоя- глубиной и твердостью
-
Провести теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния материала для выявления вклада каждой из объединяемых видов обработки в значения и характер распределения остаточных напряжений первого рода по глубине упрочненного слоя
-
Разработать методику назначения технологических режимов предлагаемой комбинированной обработки, исходя из обеспечения заданной глубины, твердости упрочненного слоя и рационального распределения остаточных напряжений по глубине материала
-
Разработать, промышленно апробировать и доказать эффективность комплекса оборудования, инструмента и технологий, реализующих новую комбинированную обработку
Научная новизна работы:
-
Предложено использовать в качестве основного параметра при назначении режимов поверхностной закалки с использованием концентрированных источников нагрева значение интегральной температурно-временнои характеристики, определяющей затраты энергии на структурно-фазовые превращения и гомогенизацию аустенита, вместо существующих двух параметров- средней скорости и максимальной температуры нагрева Это позволяет более полно описать процесс аустенитизации сталей, а, следовательно, и более точно прогнозировать глубину слоя, претерпевшего структурно-фазовые превращения
-
Впервые установлены минимальные численные значения интегральной температурно-временнои характеристики в зависимости от содержания углерода в сталях и исходного состояния структуры материала, при реализации которой обеспечивается получение мелкодисперсного гомогенного аустенита Данные значения справедливы для любых концентрированных источников вне зависимости от физической природы выделяемой энергии Большие значения этой характеристики приводят к повышенным затратам энергии, затрачиваемой на рост аусте-нитного зерна, что приводит к получению в процессе охлаждения более крупнодисперсной структуры мартенсита
-
Разработана новая методика назначения режимов поверхностной закалки с использованием концентрированных источников энергии, отличающаяся от известных тем, что назначение режимов осуществляется с учетом не только заданной глубины и твердости упрочненного слоя, но и характера распределения оста-
точных напряжений по глубине материала. Данная методика основана на выявленной взаимосвязи между значениями интегральной температурно-временной характеристики, реализуемой в наиболее теплонапряженном слое материала, и глубиной упрочнения, с одной стороны, и режимами обработки, с другой стороны, что обеспечивает необходимую глубину и твердость упрочненного слоя Учет зависимости относительной величины переходного слоя от технологических режимов обработки обеспечивает рациональное распределение остаточных напряжений по глубине упрочненного слоя
4 Теоретически обосновано и практически доказано появление дополнительного эффекта при использовании предлагаемой комбинированной обработки, выраженного в повышении микротвердости и уровня остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое материла, значения которых не достижимы для каждого из объединенных процессов в отдельности
Практическая ценность работы.
-
Полученные теоретические и экспериментальные результаты послужили основой создания эффективного способа комбинированной обработки стальных деталей, обеспечивающего формирование поверхностного слоя с комплексом повышенных показателей конструктивной прочности и напряженного состояния
-
Разработанный подход в комплексном моделировании физических процессов при обработке и установленные закономерности в механизме комбинированного воздействия на поверхностный слой углеродистых сталей могут быть распространены и на более широкий спектр обрабатываемых материалов чугуны и легированные стали
-
На базе предложенной комбинированной схемы обработки созданы новые технологии, внедрение в производство которых позволяет на финишной стадии технологического процесса изготовления деталей в сравнении с традиционной технологией достичь следующих результатов
повысить производительность обработки в 2 4 раза,
снизить энергозатраты на обработку в 4 6 раз,
повысить микротвердость и уровень сжимающих напряжений в поверхностном слое материала на 10 15 %,
- исключить возможность появления брака по прижогам при финишном
шлифовании,
уменьшить вспомогательное и подготовительно-заключительное время,
снизить межоперационные заделы деталей
-
Спроектированы, изготовлены и внедрены в производство станочные системы, реализующие идею интеграции операций поверхностной закалки и финишного шлифования на одном технологическом оборудовании. Предложен ряд новых технологий, а также конструкции устройства и закалочного модуля, реализующие поверхностный нагрев ВЭН ТВЧ и встраиваемые в существующие станочные системы Новизна полученных решений подтверждена авторскими свидетельствами и патентом на изобретения
-
Результаты, полученные при выполнении работы, используются в учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университете при
подготовке инженеров по специальности "Металлообрабатывающие станки и комплексы", а также бакалавров и магистров по направлению "Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств".
Реализация работы. Внедрение результатов работы осуществлено на ЗАО "Новосибирский электродный завод" и Новосибирском заводе "Сибтекстиль-маш", в одном из цехов которого организован специализированный участок комбинированной поверхностной обработки (закалка ВЭН ТВЧ и шлифование) деталей ткацких станков на базе шлифовального оборудования моделей ЗМ151В и ХШЗ-20Н
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсификация технологических процессов механической обработки Финишные методы обработки", г Ленинград, 1986 г, Всесоюзной научно-технической конференции "Новые технологические процессы и оборудование для поверхностной пластической обработки материалов", г Брянск, 1986 г, Всесоюзной научно-технической конференции " Структура и свойства материалов", г Новокузнецк, 1988 г, первом Всесоюзном съезде технологов машиностроителей, г Москва, 1989 г, Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и ресурсосберегающие технологии термической обработки деталей машин и инструментов", г Махачкала, 1989 г, Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности и качества в механосборочном производстве", г Пермь, 1991 г ; научно-технической конференции "Типовые механизмы и технологическая оснастка станков-автоматов, станков с ЧПУ и ГПС", г Киев, 1992 г, Сибирской конференции по прикладной и индустриальной математике, г Новосибирск, 1994 г, 1996 г, 1998 г, международной научно-технической конференции "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении", г Новосибирск, 1995 г, международной научно-технической конференции "Научные основы высоких технологий", г Новосибирск, 1997 г; международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения", г Новосибирск, 1998 г, 2000 г.; интернациональном русско-корейском симпозиуме "The third Russian-Korean international symposium on science and technology", г Новосибирск, 1999 г, 2001 г, Всероссийской научно-технической конференции "Современная электротехнология в промышленности России", г Тула, 2003 г , 2007 г , Всероссийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении", г Рубцовск, 2004 г , Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе", г Новосибирск, 2005 г, 2006 г
Методы исследований. Теоретические исследования основаны на использовании численных методов решения дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности (уравнение Фурье) и диффузии углерода в аустените (2-ой закон Фика) Моделирование напряженно-деформированного состояния ма-
териала осуществлялось с использованием сертифицированного программного продукта ANSYS 9 О
Экспериментальные исследования проводились с использованием оптической металлографии (микроскоп NU 2Е), измерения микротвердости (ПМТ-3), определения остаточных напряжений 1-го рода по глубине материала по методике И.А Биргера
Публикации По теме диссертации имеется 45 опубликованных работ, в том числе 16 работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 авторских свидетельства и 1 патент на изобретения, 19 работ в межвузовских сборниках научных трудов, 7 работ в виде трудов международных и Всероссийских научно-технических конференций
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов и заключения, изложенных на 349 страницах основного текста, в том числе 166 рисунков и 5 таблиц, списка литературы (299 наименований), и приложений
Похожие диссертации на Технологические аспекты интеграции операций поверхностной закалки и шлифования на одном технологическом оборудовании
