автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение качества обработки маложестких валов путем автоматического управления параметрами термосиловой обработки

На правах рукописи

Воронов Дмитрий Юрьевич

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ МАЛОЖЕСТКИХ ВАЛОВ ПУТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ТЕРМОСИЛОВОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.13.06. - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы).

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тольятти 2005

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Тольяттинского государственного университета

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Драчев О.И.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Выбойщик М.А.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Зайцева В.В.

Ведущее предприятие ОАО «Азотреммаш»

Защита диссертации состоится « ¿У » ^гар /Рс\ 2005 г.

в $ " часов на заседании диссертационного совета К 212.142.01 при Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу:

101472, ГСП, Москва, Вадковский пер.,-3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «Станкин».

Отзыв, заверенный печатью, просим выслать в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан « 22 » 2005 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

И.М.Тарарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность. Современный уровень развития машиностроения характеризуется постоянным повышением требований к качеству маложестких деталей типа валов, одним из основных показателей которого является отсутствие коробления. В большинстве случаев такие валы работают в условиях действия больших знакопеременных нагрузок и испытывают значительные упругие деформации изгиба и кручения. При больших скоростях вращения и малой жесткости валов весьма незначительная величина коробления вызывает появление дисбаланса, вибраций и увеличения динамических нагрузок на опоры, что существенно ускоряет процессы разрушения детали и машины в целом.

Появление коробления обусловлено высокой величиной и неравномерным распределением внутренних напряжений в объеме материала маложесткого вала. На формирование данного поля внутренних напряжений существенное влияние оказывают пластические и температурные деформации материала вала при прокате заготовки, в процессе механической и термической обработки, т.е. вследствие технологической наследственности.

Соответственно разработка и исследование методов снижения и равномерного распределения указанных напряжений, а также управления данными процессами позволит повысить качество длинномерных маложестких валов. Одним из таких методов является термосиловая обработка (ТСО), которая заключается в создании осевой пластической деформации при термообработке (закалке, отпуске) маложесткого вала. ТСО формирует направленную технологическую наследственность, вдоль оси маложесткого вала, снижает уровень и способствует равномерному распределению внутренних напряжений в материале маложесткого вала, и как следствие значительно снижает величину коробления.

Таким образом, повышение точности и стабильности формы, базирующееся на раскрытии закономерностей поведения упруго-пластического деформирования маложестких деталей (МЖД) и управление данными процессами при ТСО, является актуальной задачей в области машиностроения.

Целью работы является повышение точности и стабильности формы осесимметричных деталей путем создания технологических методов автоматического управления процессом термосиловой обработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель процесса термосиловой обработки (ТСО) и на ее основе построить структурные схемы этого процесса как объекта управления.

2. Изучить динамику поведения заготовки в процессе ее изготовления при стандартном технологическом процессе и с применением вновь разработанных методов и установок, оснащенных системами автоматического управления.

3. Разработать алгоритм управления технологическим процессом термосиловой обработки и исследовать новые методы формирования управляющих воздействий.

4. Разработать методы динамической диагностики процесса термосиловой обработки.

5. Провести экспериментальную проверку полученных результатов исследований путем разработки и внедрения на предприятиях соответствующих технологических установок, оснащенных САУ.

Научная новизна диссертационной работы заключается:

1. В обосновании методов управления операциями отпуска и закалки, формирующими физико-механические свойства материала, геометрическую форму заготовки с учетом ее упругопластического деформирования, а также уровень и распределение остаточных напряжений по объему готовых деталей;

2. В создании математических моделей функционирования технологических систем в статическом и динамическом режимах, в условиях осевой продольной деформации;

3. В разработке диагностических признаков оценки упруго-пластического состояния заготовки и технологи-

ческих систем непосредственно во время обработки.

4. В разработке технологических методов формирования упруго-пластического деформированного состояния для достижения заданной точности и стабильности формы МЖД.

5. В установлении закономерностей автоматического обеспечения устойчивого процесса формообразования упругодеформированных МЖД для типовых структур.

Методы исследований. Механика твердых и деформируемых тел, термоупругость и термопластичность. Теории колебаний, операционного вычисления и автоматического управления.

Экспериментальные исследования проводились на вновь разработанных установках, с использованием специально изготовленных установок с САУ и современной контрольно-измерительной аппаратуры.

Практическая ценность работы. На основе созданных математических моделей разработана новая прогрессивная технология изготовления длинномерных осесимметричных деталей малой жесткости, удовлетворяющая требованиям по точности, с одновременной минимизацией энерго и металлоемкости, путем автоматического управления упруго-пластическим деформированным состоянием МЖД, обеспечивая при этом равномерное и равновесное распределение остаточных напряжений по объему заготовки.

Реализация результатов работы. Созданные установки используются для термической обработки (закалка, отпуск) маложестких валов на ОАО «Азотреммаш». Результаты выполненной работы используются в учебном процессе ТГУ, при обучении студентов специальностей 1501, 1502.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на юбилейной научно-технической конференции, на «III московском международном салоне» и форуме «Промэкспо», проходивших в ВВЦ г. Москва, где разработанные установки и технология были удостоены двух золотых наград. Результаты работы докладывались на совместных семинарах кафедр «Технология машиностроения», «Материаловедение», «Автоматизации машиностроения» Тольят-тинского государственного университета; на семинаре ИКТИ РАН, на научно-методической конференции в г.Самаре (сентябрь 2004г.), на научно-технических конференциях в г.Пензе (июнь 2002г.) и НТС НТЦ ОАО «АВТОВАЗ», ежегодно.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 работ, в том числе один патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы, приложений. Работа изложена на 165 страницах, содержит 27 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 92 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы и излагается перечень вопросов, исследованию которых посвящена данная работа. Глава 1. Методы повышения эксплуатационной точности маложестких деталей.

В данной главе рассмотрено состояние вопроса, цель и задачи исследования, дается общая характеристика маложестких деталей и особенностей технологических процессов их обработки. Методом обработки МЖД, обеспечивающим высокие требования по точности и стабильности формы является термообработка. Нестабильность физико-механических свойств материала заготовок, неоднородность распределения пластической деформации при

холодной правке, неравномерное распределение термических напряжений, нестабильность по характеру процессов точения маложесткой детали, как элемента динамической системы станка, образует сложный динамический процесс, поведение которого в условиях пооперационной обработки априорно определить практически невозможно. На основе анализа существующей технологии изготовления МЖД на операциях термообработки в производственных условиях выявлено, что доминирующим фактором, влияющим на стабильность формы готовых изделий, является неоднородность распределения физико-механических свойств материала и пластических деформаций при изготовлении проката, приводящая к неравномерному распределению остаточных напряжений на последующих операциях термообработки и механической обработки.

Важным фактором, препятствующим обеспечению точностных параметров длинномерных валов и стабильности их форм, являются остаточные напряжения, возникающие при всех технологических процессах термической и механической обработок. Причины их образования многообразны: неоднородность пластической деформации, температурные поля, фазовые превращения и т.д. Проблемам, связанным с исследованием влияния остаточных напряжений на точность и стабильность форм, посвящено значительное количество работ И.А.Биргера, В. Ф. Безъязычного, Л.С.Мурашкина, С.С.Силина, П.И.Ящерицина и др. Результаты этих исследований внесли большой вклад в решение проблемы целенаправленного формирования упруго-пластического деформированного состояния поверхностного слоя обработанной поверхности и всего объема в целом.

Проведенный анализ публикаций показывает, что для обеспечения размерной стабилизации маложестких деталей при термосиловой обработке очень важно иметь данные по размерной нестабильности материала, как до термообработки, так и в ходе, и после нее. Большую роль, в данном случае, играет проработка вопросов автоматического управления данным процессом. Исследование вопросов автоматического управления процессом термосиловой

обработки проводилось на основе работ О.И. Драчева, А.А Ерофеева, В.В. Солодовникова и др. ученых.

Глава 2. Разработка математической модели технологического процесса термосиловой обработки.

Основной операцией технологического процесса изготовления МЖД, влияющей на нестабильность формы, является термообработка. Для количественного исследования процессов, протекающих при термообработке, и их анализа, необходимо их математическое описание как объектов управления.

В процессе эксплуатации осесимметричные длинномерные детали типа «вал», подвержены внешним динамическим нагрузкам, и при управлении процессом термосиловой обработки необходимо, чтобы математическая модель учитывала поведение заготовки при воздействиях внешних нагрузок по длине и в поперечных сечениях, вызывающих колебательные процессы.

Процесс упруго-пластической деформации, при постоянной температуре можно представить звеном направленного действия с входной величиной а и выходной и наоборот. Динамическое звено не обязательно является конструктивно или схемно оформленным, в отдельных случаях динамические звенья вообще могут не иметь физического смысла, характеризуя лишь математические зависимости. Поскольку определение неупругости включает требование линейности, ясно, что дифференциальные уравнения неупругости, связывающие должны быть уравнениями первой степени и

содержать столько независимых постоянных, сколько необходимо для определения неупругого поведения данного деформированного тела. В общем виде линейное уравнение с постоянными коэффициентами можно записать следующим образом:

а^й + а1с1сг / Ж + ... + апс1п(7 / Л = Ьцб + Ь^е/& + ... +Ьпс1п£/Ж

о

о

п

п

В работе построены механические модели, включающие в себя динамические звенья, соединенные параллельно и последовательно, а также их комбинации из двух и более элементов. Дано их математическое описание в виде линейных, неоднородных уравнений, позволяющих оценить предысторию, изменяя напряжения во времени через функцию податливости, не упругость и релаксацию, как в процессе обработки, так и в процессе эксплуатации деталей.

Процесс термопластической деформации на этапе осевого деформирования после выхода на заданный температурный режим описан уравнениями следующего вида:

Е2£х+^ =(1 + Е2/Е,)сг + Е1 <? 1; ст'\ = ЕаТ°;

ех = ах /Е + аТ0;^ = £и +еп = сг1 /Е-/^сг2 /Е;

е2 =£22 +е21 =а2/Е-ма{/Е; (2)

ев

Е.

При осевой деформации длинномерных деталей уравнения на основе обобщенного закона Гука для плоских сечений упростятся, и передаточные функции объекта управления для одной ветви нагрузки примут вид:

Здесь: E1 и Е2 - модули упругости; (}- коэффициент вязкости; ^ =

- постоянные времени; ;

к1 к5 - коэффициенты усиления; с - удельная теплоемкость; G -вес; F - поверхность заготовки; £ - удельный коэффициент теплоотдачи.

Деформация заготовки вдоль своей оси одновременно приводит к уменьшению диаметра заготовки и, следовательно, к упрочнению материала и далее к возрастанию осевых напряжений, т.е. используя терминологию теории автоматического управления, процесс ТСО можно представить как замкнутую систему с положительной обратной связью по напряжению. Входом системы является осевое напряжение и температура, а выходом продольная и поперечная относительная деформация Структурная схема согласно, статической характеристики объекта имеет две параллельные ветки. При достижении предела текучести Оо2? в структурной схеме звено, представленное, как нелинейный элемент типа реле, переключается, и в работу включается вторая ветвь схемы.

Если, при одноосном растяжении, кривая деформации имеет участок текучести и упрочнения, нечувствительность в виде «полочки» на кривой показывает, что (ц постоянная, а изменение £ происходит в пределах при

- деформация при постоянном напряжении. Для учета перехода с одной ветви структуры на другую, т.е. при переходе через предел текучести, на первой ветви введена единичная обратная связь, которая включает «реле», и процесс осевой деформации идет по второй ветви. Процесс упрочнения (кривую упрочнения) целесообразно линеаризировать, что справедливо при малых величинах деформации, тогда передаточные функции по своей сути будут такими же, что и предыдущие (изменяются численные значения постоянных времени и коэффициентов усиления).

Глава 3. Исследование повышения стабильности геометрических параметров маложестких деталей путем управления технологическим процессом термообработки.

Разработан подход к задаче повышения стабильности длинномерных маложестких деталей путем автоматического управления технологическим процессом термосиловой обработки. Построена математическая модель термосилового процесса в виде структурной схемы, которая позволяет частотными методами, с учетом контуров управления, рассчитать статические и динамические параметры процесса.

Дано представление о причинах потери форм готовых изделий из-за неодинаковости пластических деформаций в поперечных сечениях заготовок, остаточных напряжений и релаксационных процессов. Получено модельное представление процесса управления объектом, которое может быть использовано для целей моделирования и синтеза автономных систем управления, повышающих качество технологических систем с распределенными параметрами.

Термическая обработка как основополагающая в формировании уровня и неравномерности остаточных напряжений в микро и макро объемах заготовок потребовала разработки нового подхода к стабильности геометрических параметров маложестких осесиммет-ричных длинномерных деталей - создание равновесного минимального осенаправленного напряжения путем приложения осевых напряжений, управляемых при нагружении и разгрузке.

Новый технологический подход к термосиловой обработке разработан на основе теории стержневых моделей с вариантами несовместности упругопластических деформаций при нагрузке и разгрузке; условиями неравенства модулей упругости и упрочнения, величин пластической деформации и пределов текучести при неравномерном нагреве и остывании стержней по сечению и длине. Разность остаточных деформаций в стержнях после разгрузки приводит к появлению остаточных напряжений, которым соответствует уровень потенциальной энергии П=стост(гл2 -£я1)/2 . Разновременность фазовых превращений в различных окрестностях деформируемого тела приводит к изменению объема и механических характеристик в различных точках тела в различное время и также приводит к появлению неравномерности распределения остаточных микро и макро напряжений по объему заготовки.

Технологический процесс ТСО имеет ряд особенностей: сопротивление деформации в данный момент времени зависит от предыстории деформации в результате технологической наследственности, от законов развития деформации во времени. Напряжение пластической деформации нельзя задать в виде а = f{e), т.е. как функцию от степени деформации при данной фиксированной температуре.

На основании априорной информации, полученной из экспериментов, и математических моделей, была разработана структурная схема многоканальной САУ, работающей по составленным алгоритмам, отдельные контуры которой функционируют, как следящие системы по отклонениям регулируемого параметра (управление поперечной деформацией изделия), а другие, как контуры стабилизации, внешнего усилия с заданной величиной деформации (управление продольной деформацией), а также управления температурой нагрева и охлаждения. Структурная схема ТСО включает в себя сам объект управления с передаточными функциями Wi (S) + W5 (S) и семь автономных каналов управления.

Количество каналов определяется согласно модальному принципу управления. Контролируемые параметры на выходе £i(s) и 62(s), продольная и поперечная деформация, а управляемые параметры сг (s) и T°(s) - внешнее напряжение, приложенное вдоль оси заготовки, и температуры нагрева и охлаждения в зонах и узлах пучности при механическом деформировании. Первый автономный канал управления продольной деформацией представляет собой контур обратной связи по отклонению, входом которого является продольно-осевая деформация а выходом - напряжение, приложенное к одному из концов заготовки. В обратную связь контура управления включены три звена: первичный преобразователь с передаточной функцией Wfl(s) = U2(s) / Ej(s), дифференциальный усилитель исполнительный механизм

на второй вход дифференциального усилителя

подключен один из выходов контроллера Wjco(s), последний согласно программе включает в работу контур управления осевой деформацией.

Контур контроля и управления первичной деформацией по длине изделия, с учетом количества каналов, включает в себя следующие звенья: первичный преобразователь блок управления нагревом и охлаждением секции печи

источник питания нагревательных элементов нагревательный элемент Каж-

дый из каналов нагрева и охлаждения содержит контур обратной связи, в которой имеется одно звено(термопара) с передаточной функцией Кт(5)=ит(5)/Т°(5).

Кроме каналов нагрева печи, система управления имеет столько же каналов быстрого охлаждения, которые представлены одним звеном

Все звенья контуров представлены усилительными (постоянными времени процесса ТСО и звеньев управления отличаются на несколько порядков), кроме нагревательных, последние описаны инерционными второго порядка.

Управление всеми каналами согласно разработанным алгоритмам осуществляется контролером. Проведен расчет на управляемость, устойчивость и точность для контуров управления САУ ТСО. При введении отрицательной, обратной связи результирующая характеристика объекта идет более полого, чем характеристика объекта без обратной связи, т.е. при одном и том же входном воздействии с учетом обратной связи напряжение на выходе меньше. Если коэффициент усиления объекта К0 = (Е1+Е2)/Е1Е2, для стандартного тела, а контур обратной связи имеет коэффициент усиления Кос, то из выражения Евых = Ко/ (1 + КоКос) = Ксгвх, где К=Ко/(1+КоКос), следует, что при КоКос = -1 коэффициент К обращается в бесконечность, практически это значит, что линейное звено (объект управления) становится астатическим.

Глава 4. Разработка средств управления для повышения стабильности форм и точности деталей малой жесткости.

Теоретические исследования технологического процесса изготовления маложестких деталей доказали целесообразность

применения САУ процесса термообработки. Для минимизации технологической наследственности передаваемой операциями закалки, холодной правки и мехобработки, путем снижения уровня и неравномерности распределения остаточных напряжений по всему объему заготовки, была разработана специальная установка для термосиловой обработки применительно к операции отпуска. Суть этой операции в следующем: заготовку, предварительно проточенную, правленую и закаленную (если это требуется по техпаспорту), устанавливают в электропечь. Последняя, выполнена многосекционной, а температура нагрева заготовки стабилизируется автоматически по длине, и в функции поперечной пластической деформации заготовки может понижаться, с целью выравнивания физико-механических свойств и равномерного пластического деформирования, по всей длине заготовки. В зоне управляемого нагрева к заготовке прикладывают осевую растягивающую нагрузку с заданной величиной и скоростью пластического деформирования и одновременно контролируют диаметральный размер заготовки - утонение шеек вала по всей его длине, в зонах локального нагрева. При достижении равенства диаметров утонения по всей длине заготовки в пределах величины заданного осевого деформирования, отключают осевое деформирование, жестко фиксируют заготовку относительно стапеля и управляют процессом, стабилизируя температуру по всей длине заготовки.

Установка включает в себя электропечь, установленную в стапель, привод осевой деформации и два взаимосвязанных контура управления поперечной деформацией и нагрева-охлаждения, каждый из которых имеет первичные преобразователи, усилители, контуры управления и сервоприводы. Управление и контроль техпроцесса осуществляется программированным контролером. Разработаны алгоритмы термосиловой обработки для упрочняющихся материалов.

При разработке новых способов закалки с целью стабилизации геометрических форм деталей, а также устранения технологической наследственности от предыдущих операций, заготовка проходит термообработку-закалку в жестко фиксированном положении относительно стапеля. Стапель в сборе с заготовкой нагревают

и выдерживают на заданной техпроцессом температуре. В период нагрева происходит осевая пластическая деформация, за счет разности коэффициентов линейного расширения стапеля и заготовки. При остывании заготовка находится в натянутом состоянии до заданной температуры. За счет разной скорости теплоотдачи стапеля и заготовки. Стапель выполнен в виде двух труб, внутренний объем которых, заполнен материалом с низким коэффициентом теплопроводности, при этом время охлаждения стапеля в несколько раз больше времени охлаждения изделия, а коэффициент линейного температурного расширения материала стапеля больше коэффициента температурного расширения вала.

Глава 5. Экспериментальное исследование размерной стабильности и точности деталей малой жесткости с использованием системы автоматического управления.

Исследования, проведенные на базе теоретических разработок, позволили создать новые технологические методы обработки длинномерных МЖД, реализованные в установках для закалки и отпуска. Экспериментальные исследования проводились на каждой установке отдельно, с целью подтверждения теоретических разработок апробировалась технология в целом.

Реализация разработанной технологии проводилась на валах, изготовленных из стали 40Х и 12Х18Н10Т. Установка, применяемая при закалке вала в стапеле, который при нагревании за счет разности коэффициентов линейного расширения с заготовкой при температуре закалки обеспечивает пластическое деформирование детали «горячая правка». Обеспечение постоянной осевой нагрузки осуществляется за счет наполнения внутренних полостей труб стапеля кварцевым песком. Температурный режим термообработки стандартный (Т°= 1000^ 1500°С). Термообработка (закалка) с использованием разработанной установки позволила снизить биение вала до величины эксцентриситета заготовки. Разброс по твердости не превышал 10 % на всю длину.

Исследования ТСО проводились в диапазоне температур, обеспечивающих максимальную стабильность G02 (Т° =300-400 С ), для стали 12Х18Н10Т. Равномерность пластической деформа-

ции оценивалась критерием локальности (Кмах= Етах/ £тт)- Алгоритм управления процессом отпуска позволил обеспечить равномерную пластическую деформацию по критерию локальности в зонах и узлах пучности не выше шестой моды за счет управления температурными и силовыми режимами при нагружении и разгрузке.

Оценивая результаты исследования ТСО, следует отметить, что предлагаемый технологический прием обеспечивает выравнивание физико-механических свойств материала, однородность распределения пластической деформации по всему объему заготовки, минимизирует уровень остаточных напряжений и, как следствие, снижает коробление вала минимум в 2,5 - 2,7 раз по сравнению с традиционным методом, когда заготовка при температуре отпуска находилась в свободном состоянии, причем величина биения валов снизилась до величины эксцентриситета и составила 15-20 мкм/м. Исследования показали, что в предлагаемых режимах не происходит изменение структуры материала, отсутствуют фазовые превращения, а плоскость максимальных деформаций изменяется в пределах 40-45° за счет влияния касательных напряжений.

Управлять уровнем остаточных напряжений только с помощью пластических деформаций необходимо в начальной стадии процесса охлаждения, когда предел текучести низкий и существует слабая зависимость предела текучести от температуры. Экспресс оценка релаксационных процессов проводилась за счет виброобработки на резонансных частотах первых трех мод.

Внедрение на ОАО «Азотреммаш» установок для термосиловой обработки на операциях отпуска и закалки для изготовления длинномерных МЖД по сравнению с базовой технологией дало возможность повысить размерную стабильность формы МЖД, точность и производительность, снизить металлоемкость заготовок и энергоемкость техпроцесса за счет исключения многократных промежуточных термических обработок (отпусков).

Общие выводы и результаты:

1. Решена научная задача в области технологии машиностроения, заключающаяся в создании новых методов

автоматического управления процессом термосиловой обработки (отпуска и закалки). Установлены закономерности упруго-пластического деформированного поведения заготовки, проведено математическое описание и построены структурные схемы технологического процесса ТСО для получения требуемой точности и стабильности формы МЖД.

2. Разработана математическая модель поведения обрабатываемого материала детали, основанная на изучении внутренних свойств металла и внешних технологических воздействий на заготовку при формировании ее физико-механических свойств и геометрических параметров. Выявление связи упруго-пластического состояния детали с технологическими параметрами процессов обработки, показателями точности и стабильности форм, воплощены в новых методах термообработки и автоматического управления этими процессами.

3. Разработаны алгоритмы и программы управления параметрами упруго-пластическим деформированием под действием продольных сил. Установлена возможность поднастройки технологической системы путем введения дополнительных, отрицательных обратных связей по усилиям упруго-пластической деформации, по возмущающим воздействиям при управлении параметрами точности и стабильности формы.

4. Разработаны и реализованы специальные установки для горячей правки в стапеле при температуре закалки, термостабилизации при температуре отпуска.

5. Внедрение разработанных методов управления упруго-пластическим деформированием в процессе термобработки обработки заготовок на установках, оснащенных системами автоматического управления, позволило решить задачу изготовления длинномерных осесимметричных маложестких деталей типа «вал», эксплуатационная точность которых 1520 мкм/м, а производительность в 2,5 - 3 раза выше традиционной.

6. Разработанные установки для ТСО используются на

ОАО «Азотреммаш» г.Тольятти.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев. Пути снижения коробления маложестких валов, путем применения термосиловой обработки / Журнал «Машиностроитель», № 6, 2001, с 20-23.

2. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев, Д.А.Расторгуев. Динамическая модель термосиловой обработки, как объекта управления / Проблемы современного машиностроения / Сборник к 40-летию Машиностроительного факультета / Тольятти 2001, с 35-37.

3. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев, Д.А.Расторгуев. Влияние осевой пластической деформации на коробление готовой детали / Проблемы современного машиностроения / Сборник к 40-летию Машиностроительного факультета / Тольятти 2001,

с 38-40.

4. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев, А.В.Бобровский. Влияние несоосности при термосиловой обработке на коробление готовой детали / Межвузовский сборник научных трудов / Часть 2 / Тольятти 2000, с 25-27.

5. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев. Пути технологического управления стабильностью форм маложестких деталей / Юбилейная научно-техническая конференция / Тезисы докладов / Тольятти 1997, с 42-44.

6. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев. Пути технологического воздействия на стабильность формы маложестких деталей / Педагогические, экономические и социальные аспекты научной и производственной деятельности / Межвузовский сборник научных трудов/ Тольятти 1998, с 180-183.

7. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев, Д.А.Расторгуев. Новая технология термосиловой обработки маложестких валов /

Журнал «Известия» №1 / Серия «Автоматизация технологических процессов в машиностроении» Волгоградского государственного технического университета / Волгоград 2004, с. 32-35. 8. Д.Ю.Воронов, О.И.Драчев, Д.А.Расторгуев Патент на изобретение РФ от 10.07.04. № 2232198. Устройство для термосиловой обработки.

а - 05. /з

Воронов Дмитрий Юрьевич Повышение качества обработки маложестких валов путем автоматического управления параметрами термосиловой обработки

Подписано в печать 10.02.2005 г. Заказ №43. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,25. Формат 60x84 1/20. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография медиа-центр Тольяттинского государственного университета 445067, Тольятти, ул. Белорусская, 14

Введение.

1.Методы повышения эксплуатационной точности маложестких деталей.

1.1 Анализ влияния технологического процесса и физико-механических свойств материала на стабильность формы маложестких деталей.

1.2. Остаточные напряжения в техпроцессе изготовления маложестких деталей.

1.3. Технологические процессы и методы управления, применяемые для стабилизации форм и размеров маложестких деталей. 21 Выводы, цели и задачи работы.

2. Разработка математической модели технологического процесса термосиловой обработки.

2.1. Теоретические предпосылки к расчёту осевых деформаций и напряжений при термообработке.

2.2. Теоретический анализ и математическая модель процесса термосиловой обработки.

2.3. Создание динамической модели термосиловой обработки как объекта управления. 4 9 Выводы по главе 2.

3. Исследование повышения стабильности геометрических параметров маложестких деталей путем управления технологическим процессом термообработки.

3.1. Механическое представление сущности возникновения остаточных напряжений при обработке маложестких валов.

3.2 Структурная схема САУ термосиловой обработкой маложестких валов.

3.3 Физическая сущность процессов, протекающих при термосиловой обработке маложестких валов. 7 8 Выводы по главе 3.

4. Разработка средств управления для повышения стабильности форм и точности деталей малой жесткости.

4.1. Разработка функциональной схемы САУ термосиловой обработки на режимах отпуска.

4.2. Установка для ТСО маложестких валов в условиях развития фазовых превращений. 110 4.3 Устройство для термосиловой обработки при закалке маложестких валов. 120 4.4. Устройство для термосиловой обработки, с управлением величиной и скоростью изменения прикладываемой осевой нагрузки. 124 Выводы по главе 4.

5. Экспериментальное исследование размерной стабильности и точности деталей малой жесткости с использованием системы автоматического управления.

5.1. Технология изготовления длинномерных маложёстких деталей.

5.2. Экспериментальные исследования влияния термосиловой обработки при отпуске и закалке на геометрическую точность и стабильность формы длинномерных маложёстких деталей в условиях функционирования автоматической системы управления.

5.3. Исследование стабильности формы длинномерных деталей при управляемой вибростабилизирующей обработке.

Выводы по главе 5.

Выводы по результатам работы.

Список используемых источников.

Современный уровень развития машиностроения характеризуется постоянным повышением требований к качеству маложестких деталей типа валов, одним из основных показателей которого является отсутствие коробления. В большинстве случаев такие валы работают в условиях действия больших знакопеременных нагрузок и испытывают значительные упругие деформации изгиба и кручения. При больших скоростях вращения и малой жесткости валов даже весьма незначительная величина коробления вызывает появление дисбаланса, вибраций и увеличения динамических нагрузок на опоры, что существенно ускоряет процессы разрушения детали и машины в целом.

Появление коробления обусловлено высокой величиной и неравномерным распределением внутренних напряжений в объеме материала маложесткого вала. На формирование данного поля внутренних напряжений существенное влияние оказывают неравномерные пластические и температурные деформации материала вала при прокатке заготовки, в процессе механической и термической обработки, т.е. в следствии технологической наследственности.

Соответственно разработка и исследование методов снижения и равномерного распределения указанных напряжений, а также автоматического управления данными процессами позволит повысить качество длинномерных маложестких валов.

1.Методы повышения эксплуатационной точности маложестких деталей.

Выводы по главе 5.

1. В ходе проведения экспериментальных исследований, получены зависимость локальности пластической деформации, от следующих параметров: величина деформации; скорость деформации; температура.

2. Экспериментально получены технологические режимы термосиловой обработки маложестких валов которые находятся в пределах Т=200°С -400°С; £=0,8-5%, ¿>7,5*10~2 с-1, критерий локальности от 1,1 до 1,2.

3. Экспериментально подтверждено положительное влияние вибрационного воздействия при термосиловой обработке на локальность протекания пластической деформации, при использовании вибрационного воздействия значений критерия локальности снижаются на 20-25%, плоскость наибольшего прогиба смещалась всего на 5-20°, для сравнения у образцов не подвергнутых вибрационному воздействию плоскость наибольшего прогиба смещалась на 40-45°, а в одном случае на 60°.

4. Экспериментальная проверка основных теоретических положений настоящей работы показала удовлетворительное совпадение результатов расчёта и опыта. Для получения заданных геометрических и физико-механических параметров с использованием текущей информации при работе САУ, отпадает необходимость расчётов, основанных на априорной информации.

5. Создана и апробирована опытная установка для термосиловой обработки длинномерных деталей, оснащённая системой автоматического управления параметрами термосиловой обработки, работающей по заданному алгоритму, с применением микропроцессорной техники.

Установка позволяет обрабатывать заготовки диаметром до 80 м и длиной до 4000 мм с пределом текучести материала не более 800 МПа и обеспечивает стабильность формы заготовок согласно техническим требованиям на готовую продукцию, и точность - биение в пределах 10-15 мкм/м, значения критерия локальности 1,5-2,3, разброс по твердости не более 10-12%. б. Разработана и испытана установка для термообработки длинномерных заготовок при температурах закалки,

1.Решена научная задача в области технологии машиностроения, заключающаяся в создании новых методов автоматического управления процессом термосиловой обработки (отпуска и закалки). Установлены закономерности упруго-пластического деформированного поведения заготовки, проведено математическое описание и построены структурные схемы технологического процесса ТСО для получения требуемой точности и стабильности формы МЖД.

2.Разработана математическая модель поведения обрабатываемого материала детали, основанная на изучении внутренних свойств металла и внешних технологических воздействий на заготовку при формировании ее физико-механических свойств и геометрических параметров. Выявление связи упруго-пластического состояния детали с технологическими параметрами процессов обработки, показателями точности и стабильности форм, воплощены в новых методах термообработки и автоматического управления этими процессами.

3.Разработаны алгоритмы и программы управления параметрами упруго-пластическим деформированием под действием продольных сил. Установлена возможность поднастройки технологической системы путем введения дополнительных, отрицательных обратных связей по усилиям упруго-пластической деформации, по

4.Разработаны и реализованы специальные установки для горячей правки в стапеле при температуре закалки, термостабилизации при температуре отпуска.

5.Внедрение разработанных методов управления упруго-пластическим деформированием в процессе термобработки обработки заготовок на установках, оснащенных системами автоматического управления, позволило решить задачу изготовления длинномерных осесимметричных маложестких деталей типа «вал», эксплуатационная точность которых 15-20 мкм/м, а производительность в 2,5 - 3 раза выше традиционной. б. Разработанные установки для ТСО используются на

ОАО «Азотреммаш» г.Тольятти.

1. A.c. 1429488 СССР, МКИ В 23 0 15/00. Устройство для обработки ступенчатых осесимметричных деталей / О.И. Драчёв, О.И. Иванов, В.К. Мазур. (СССР) . б с.: ил.

2. А.с. 1509410 СССР, МКИ4 С 21 D 1/04. Способ снятия остаточных напряжений в металлических деталях. Г. П. Кузьмичев, А.М.Григорьев, E.JT. Клецков, И.П.Янович (СССР).-4с. : ил.

3. A.c. 1518384 СССР, МКИ4 С 21 D 1/04. Способ снятия остаточных напряжений в протяженных металлических изделий. Р.Ю.Бансявичус, В.В.Волков, М.И.Долгин (СССР).-4с. : ил.

4. A.C. №1258847 C21D1/78. Способ обработки нежестких деталей. О.И. Драчев, В.К. Мазур. СССР.-23.02.86

5. A.c. №4 689434 C21D9/06. Способ ТО асимметричных длинномерных деталей. О.И. Драчев, О.И. Иванов, Э.Н. Хенкина. СССР.- 10.05.89.

6. A.С. №1407969, C21D1/62. Устройство для закалки валов малой жесткости. О. И. Драчев, В.К. Мазур. СССР.- 07.07.88.

7. А.С. №4652441, В23<215/0о- Способ автоматического управления ТО. О.И. Драчев. СССР.- 30.12.88.

8. Бабичев М.А. Методы определения внутренних напряжений в деталях машин.- М. : Издательство АН СССР, 1955.- 132 с.

9. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. - М. : Машиностроение, 1978. - 184 с.

10. Беляев Г.С., Табанчиков П.Н. Технология производства валов. -М. Машгиз. 1961. 250 с.

11. Билик Ш.М. Макрогеометрия деталей машин. М. : Машиностроение, 1973. - 343 с.

12. Биргер И.А. Некоторые математические методы решения инженерных задач. -М. : Физматгиз, 1961. -284 с.

13. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М. : Машгиз, 1963, 232 с.

14. Бленд Д. Р. Теория линейной вязкоупругости. -М.: Мир 1965 137 с.

15. Борздыка А.М., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах.-М.: Металлургия,1972.- 304 с.

16. Васильевых Л. А. Интенсификация процессов обработки нежёстких деталей.

17. Иркутск 1990.- 280 е.: ил.

18. Вибрации в технике. /Под ред. В.В. Болотина. В б т. -М. : Машиностроение, 1978.Т.1. 352 с.

19. Вибрации в технике. /Под ред. К.В. Фролова. В б т. -М.: Машиностроение, 1981.Т.б. 456 с.

20. Вивденко Ю.Н. Релаксация технологических остаточных напряжений и коробление тонкостенных элементов деталей после операций обработки резания. Оптимизация технологических процессов по критериям прочности Межвуз. Научный сборник Уфа 1985. -с.31-36.

21. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. В 3 ч. JI.: Энергия, 1970.1. Ч.Ш. 328 с.

22. Д.Ю. Воронов; О.И. Драчев. Пути снижения коробления маложестких валов, путем применения термосиловой обработки. Журнал «Машиностроитель» №6, 2001 год.

23. Д.Ю. Воронов; О.И. Драчев; Расторгуев Д.А. Динамическая модель термосиловой обработки, какобъекта управления. Проблемы современного машиностроения. Сборник к 4 0-летию

24. Машиностроительного факультета. Тольятти 2001 год.

25. Д.Ю. Воронов; О.И. Драчев; Расторгуев Д. А. Влияние осевой пластической деформации на коробление готовой детали. Проблемы современного машиностроения. Сборник к 4 0-летию Машиностроительного факультета. Тольятти 2001 год.

26. Д.Ю. Воронов; О. И. Драчев; A.B. Бобровский. Влияние несоосности при термосиловой обработке на коробление готовой детали. Межвузовский сборник научных трудов. Часть 2. Тольятти 2000 год.

27. Д.Ю. Воронов; О.И. Драчев. Пути технологического управления стабильностью форм маложестких деталей. Юбилейная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Тольятти 1997 год.

28. Д.Ю. Воронов; О.И. Драчев. Пути технологического воздействия на стабильность формы маложестких деталей. Педагогические, экономические и социальные аспекты научной и производственной деятельности. Межвузовский сборник научных трудов. Тольятти 1998 год.

29. Патент на изобретение, от 10.07.04. № 2232198. Устройство для термосиловой обработки. Д.Ю. Воронов; О.И. Драчев; Расторгуев Д.А.

30. Гешелин Ю.В., Посвятенко Э.К. Формирование остаточных напряжений в гильзах гидроцилиндров технологическими методами. // Повышение эффект. Протягив. Рига.-1990.-с.75-81.

31. Грушечев В.В., Липатов A.M., Сирицин И.А., Лобанов H.A. Повышение точности обработки нежестких деталей // Стан. И Инстр. 1990.- №2.- с. 29-30.

32. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надёжности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. - 223 с.

33. Дальский A.M. Повышение качества высокоточных изделий на основе явлений технологической наследственности // ТрМВТУ- 1989.-№518.- с.3-13.

34. Давиденков H.H. Журнал технической физики 1981 т.1 вып.1 с. 5-17.

35. Долецкий В.А., Бунтов В.Н. Увеличение ресурса машин технологическими методами. М. : Машиностроение, 1978. - 214 с.

36. Дорожкин H.H., Карпушин В. А. Прогрессивные методы повышения точности обработки нежёстких деталей. Минск.: БелНИИТИ и технико-экономические исследования, 1977. 16 с.

37. Драчев О.И., Иванов О. И. К вопросу об оптимальном управлении демпфированием колебаний стержней с использованием принципа максимума Понтрягина. // Сб. Технология и автоматизациямашиностроения. № 46. - Киев: Техника. 1989. -140 с.

38. Драчев О.И. Аналитический расчёт деформаций при термостабилизации длиномерных заготовок. //Сб. Технология и автоматизация машиностроения. № 48. Киев: Техника. 1991. - с. 41-45.

39. Драчев О.И. Автоматическая система стабилизации геометрических форм маложёстких деталей при термомеханической обработке. Куйбышев: Тр. КПтИ, 1990. с. 129 -142.

40. Драчев О.И., Хенкина Э.Е. Пути технологического воздействия на стабильность форм маложестких осемметричных заготовок. // Технол. и Автоматиз Машиностр 1991 - № 48 с.13-16

41. Драчев О.И., Скиданенко В. И. Возможность управления остаточными напряжениями при термомеханической обработке маложестких деталей.// Технол. и Автоматиз Машстр. Киев. 1989 №4 4 с. 2731.

42. Ерофеев A.A. Теория автоматического управления. Политехника, 2003, 302 с.

43. Иванов Ю.А., Ефимов В. Д. Вибрационная стабилизация геометрической формы стальных деталей типа винтов, валов, шпинделей. В кн.: Технология производства, научная организация труда и управления, М.: НИИмаш, 1980, №8, с. 4-5.

44. Игнатьков Д. А. Остаточные напряжения в неоднородных деталях. Кишинев: Штиница 1992 - 232 с.

45. Кайбышев O.A. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975, 280с.

46. Кишуров В.М., Шарипов Б. У. Остаточная напряженность обработанного поверхностного слоя. // Рез. и Инстр.-1990.- №44.-с.50-53.

47. Кобрин М.М., Дехтярь Л.И. Определение внутренних напряжений в цилиндрических деталях. -М.: Машиностроение 1965 175 с.

48. Козирук Г.П. Образование остаточных напряжений и деформаций в условиях действия технологической наследственности. Оптимизация технологических процессов по критериям прочности Межвуз. Научный сборник Уфа 1985. с.20 -23.

49. Колод Л.П. Технологическое обеспечение точности нежестких деталей. -1991. Пенза,- с.42-43.

50. Кудинов В.А. Динамика станков.- М. : Машиностроение, 1967. 399 с.

51. Кузнецов Р.И., Павлов В. А. Временный ход пластической релаксации напряжений // Физика металлов, металловедение.- М.: 1968. 210 с.

52. Кузовкин Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. М. : Машиностроение, 1976. 184 с.

53. Максимов Ю.В., Анкин A.B., Матяш В. И. Математическое моделирование формообразования деталей класса нежестких валов. // Вестник машстр.-1997.- №3.

54. Михайлов О.Н. Связь объёмных и плоских остаточных напряжений состояний в цилиндрическихдеталях и их элементах при радиальном градиенте. // Пробл. прочности. 1983. - №8. - с.59-62.

55. Мошин E.H. Исследования пластического изгиба. // Труды ЦНИИТМАШ, М.: Машгиз, 1954. кн. с. 62 -65.

56. Мурашкин J1.C. О глубине наклепанного слоя при резании металлов. Машиностроение №324, ■"Машиностроение" Ленинград 1972. с.220-222.

57. Мурашкин Л.С., Мурашкин С. Л. Скорость распространения пластической деформации. :Машиностроение № 324, "Машиностроение" Ленинград 1972. с.223-224.

58. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. М., Атомиздат 1975.с.472.

59. Няшин Ю. И. Об управлении процессом обработки материалов целью снижения остаточных напряжений. // Прикладная математика механика, 1981, т.45 № 2.

60. Основы автоматического управления / Под ред. B.C. Пугачева, М.: Наука, 1974. - 720 с.

61. Остаточные напряжения /Ред. Осгуд В. Р. М. : ИЛ, 1957. - 169 с.

62. Остаточные технологические напряжения. //Тр. 2 Всесоюзного симпозиума. И.: 1985. - 390 с.

63. Отчёт инв.№ Б984698. Снятие внутренних напряжений и стабилизация формы сварных и литых деталей вибрационной обработкой. Куйбышев 1980.

64. Подпоркин В.Е. Обработка нежестких деталей. -Л.: Машгиз, 1959. 208 с.

65. Поздеев A.A., Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения теории и приложения. М.: Наукова Думка, 1982. - 291 с.

66. Разработка и внедрение рекомендаций по снижению коробления деталей: Отчет / НИИПТмаш. Руководитель В.А. Колот. Инв.№ 0281.2.004982, Краматорск, 1981,- 78 с.

67. Раппен А. Описание метода использования вибраций в области механической обработки для измерения внутренних напряжений в металлах. Пер. с немецкого. №5030.

68. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение 1981. - 279 с.

69. Релаксационные явления в твердых телах.- Труды IV Всесоюзной конференции / Воронежский политехнический институт. М. : Металлургия, 1968.- 694 с.

70. Работнов Ю.И. Элементы наследственной механики твердых тел. М.: Наука, 1977, 350 с.

71. Салагевич В.М., Савельев В.Ф. Стабильность сварных соединений и конструкций. М. : Металлургия, 1986, 264 с.

72. Сериков C.B., Шевчак Д.А., Резников Ю.А., Вагин A.B. Оценка уровня остаточных напряжений в шарикоподшипниковых кольцах. М.: Машиностроитель.

73. Садовский В. Д. Структурная наследственность в стали. М.: Металлургия, 1973, 208 с.

74. Скороходов А.Н., Зудов Е.Г., Киричков А.А, ,

75. Петренко Ю.П. Остаточные напряжения в профилях испособы их снижения. Москва "Металлургия" 1985.,- 200 с.

76. Соломинцев Ю.М., Митрофанов Ю.Г., Протопопов С.П. и др. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1980. - 536 с.

77. Соркин Л.С. Определение остаточных напряжений в телах не осесемметричной конфигурации. Москва Теплотех. ин-т.

78. Соркин Л.С. Определение остаточных напряжений в многослойных цилиндрах. Москва Теплотех. ин-т.

79. Судьин Ю.А., Шалупов В. И. Технологическое "Наследование" погрешностей колец подшипников. // Автомоб. Пром.- 1993.- №9. с.26-27.

80. Уменьшение механический напряжений и стабилизация металла с помощью вибраций. Пер. с англ. №Ц-33540.-М.:Всесоюзный центр переводов, 1974 425 с.

81. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. М., Машиностроение. 1974. Т.4 471 с.

82. Шприпов Б. У. Технологическая наследственность состояния поверхностного слоя обработанной детали // Межвуз.Темат.науч.сб. —Уфа 1989. с. 113-122.

83. Ящерицын П. И. Основы технологии механической обработки и сборки в машиностроении. Минск: Вышэйшая школа, 1974. - 608 с.

84. Ящерицын П. И. Технологическая наследственность и эксплуатационные свойства шлифованных деталей. Минск. Наука и техника.1971 г. 212с.

85. Ящерицын П.И., Скорынин Ю.В. Технологическая и эксплуатационная наследственность и ее влияние на долговечность машины. Минск: Наука и техника, 1978 г. - 246 с.

86. Ящерицын П.И., Белкин М.Я., Колот В.А., Колот Л.П. Повышение качества нежестких деталей на финишных операциях // Вестник маш.стр. 1990,- №9.-с.60-62.

87. Basu К., Subrahmanya С.К. Vibratory stress reliving. Prog. End., 1980, №6, p 46-48.

88. Pattenson E.G., Dugdate D.S. «Metallurgica». Manchester, 1982, №11, p. 228.

89. Schmid E, Boas W. Plasticity of crystals. London 1992.

90. Seitz F. Physics of metals. New York 1999.