автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности механической обработки тонкостенных цилиндрических изделий специального назначения из борнилита

На правах рукописи

5 И^'4

АНИСИМОВ Андрей Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ИЗ БОРНИЛИТА.

05.02.08 - технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва - 1996 г.

Работа выполнена в Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики на кафедре "Технология машиностроения"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук,

профессор МИХАЙЛОВ А.А.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор Тимченко А.И. кандидат технических наук, профессор Комаров В.В.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Государственное предприятие научно-производственное объединение "Технология Машиностроения"

Защита диссертации состоится " 24 " декабря 1996 г. на заседанш диссертационного Совета К065.93.01 "Технология машиностроения" I Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатию по адресу 107864, Москва, ул. Стромынка, д. 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПИ.

Автореферат разослан "24" ноября 1996 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Сове! к.т.н., доцент

Общая характеристика работы.

В настоящее время космическому материаловедению уделяется огромное значение. В силу специфических свойств материалов, для получения в космических условиях ряда технологически сложных полупроводников, таких как арсенид галия и теллурид кадмия, необходимо создание сложной прецизионной аппаратуры.

Данные исследования диктуются повышением технологичности конструкции и - на основе их совершенствования - безотказности и долговечности рабочей камеры (РК), являющейся наиболее важным узлом зонной плавки (УЗП). Применяемые РК имеют малые габориты и большой вес, так как изготавливаются из металлических материалов; трудоемки в изготовлении, ремонте и профилактических работах, следствием чего является высокая технологическая себестоимость изделия.

РК устанавливается горизонтально и служит для размещения спекаемого материала в УЗП. Параметры температуры и вибрации, передаваемые через стенки РК спекаемому материалу, имеют широкие пределы: температура по величине изменяется от нуля до тысячи и более градусов Цельсия. Диапазоны вибрации имеют различные значения. Общее количество нагревов РК составляет от одного до десятка раз. Вибрация РК изменяется в зависимости от применяемого летательного аппарата. Особое условие - герметичность РК, которая должна быть не ниже 1.52 • 105 Па (1140 мм рт. ст.) РК работает в различных климатических условиях при жестких требованиях к безотказности работы не менее 5000 часов.

Основным звеном, определяющим технологичность, безотказность и долговечность РК, является ее конструкция и применяемый материал для ее изготовления.

РК, изготавливаемые из металлических материалов, выпускаются более десяти лет и будут еще некоторое время изготавливаться как для новых установок зонной плавки, так и в качестве запасных частей. Они имеют сложную конструкцию, трудоемки в изготовлении. Поэтому встала задача разработать новую технологически совершенную РК с применением бориилита - высокочистого, химически инертного диэлектрика, обеспечивающего возможность получения материала высокой чистоты.

Анализ современных методов обработки, а также необходимость создания химической чистоты полностью исключает применение перспективных не силовых методов обработки: электорофизических, электрохимических, а также шлифование. Несмотря на большие трудности, возникающие при силовой токарной обработке (трещинообразование), этой операции отдается предпочтение в силу сохранения ранее указанных свойств бориилита для новой по классу РК.

Актуальность исследования определяется тем, что совершенствование технологии изготовления РК установки (ее основного узла), заключающееся в обеспечении высокого качества механической обработки бориилита, приводит к увеличению долговечности и безотказности

"космических" установок, что, наряду со снижением брака (трещинообразования), в конечном итоге, повышает эффективность их изготовления.

Цель и задачи исследования.

Целыо данных исследований является обеспечение заданной работоспособности РК УЗП путем обеспечения требуемой точности и качества обрабатываемых поверхностей камеры, изготавливаемой из синтетической керамики - борнилита. Методика исследований разрабатывалась на базе современных научных основ технологии машиностроения, теории резания, применения современных станков и приборов. Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Исследовать физические закономерности резания борнилита для оценки стойкости инструмента.

2. Исследовать влияние конструкторско-технологических факторов на шероховатость, точность, трещинообразованне при токарной обработке поверхности камеры.

3. Разработать технологические рекомендации для токарной обработки РК, изготовленной из борнилита.

4. Осуществить испытание РК и оценить ее надежность.

Научная новизна.

1. Подтверждена связь между качеством механической обработки РК, изготовленной из борнилита, с безотказностью и долговечностью работы УЗП.

2. Аналитическими исследованиями определена область оптимальных, по параметру качества обработанной поверхности, режимов точения материала борнилит.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена гипотеза об импульсном высокочастотном характере разрушения материала при резании, на основе которой стал возможен количественный прогноз трещинообразования при точении борнилита.

4. Получены закономерности, связывающие параметры качества обработанной поверхности с большой группой конструкторско-технологических факторов процесса точения, включающих: физико-механические и теплофизические параметры обрабатываемого

материала, показатели точности и жесткости системы "станок-приспособление-инструмент-деталь", а также параметрами углов заточки резца.

5. Создана и прошла испытания в полном объеме РК, изготовленная из борнилита.

Практическая ценность работы.

Разработаные конструкторско-технологическне рекомендации позволяют осуществить высокоэффективное экспериментальное производство РК для УЗП. Определены материалы и углы заточки резцов для обработки боршшита, а также режимы обработки и класс используемых станков.

Реализация результатов работы в промышленности.

На опытном производстве Конструкторского Бюро Общего Машиностроения внедрены оптимальные режимы точения, обеспечивающие требуемую точность и шероховатость поверхности РК из материала борнилит при минимуме затрат на ее изготовление. Созданая РК прошла полный объем испытаний при безотказной работе не менее 5000 часов.

Апробация работы.

Отдельные разделы работы были доложены на научных семинарах кафедры технологии машиностроения Московской Государственной Академии Приборостроения и Информатики, 1991 и 1996 г.г.; на научно-технических советах в Конструкторском Бюро Общего Машиностроения (КБОМ) в 1996 г.; на научном техническом совете в Государственном Институте Редких Металлов (ГИРЕДМЕТ) в 1996 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано две работы. Объем работы.

Диссертация изложена на 132 листах машинописного текста и состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и заключения, содержит 21 рисунок, список литературы из 57 наименований и 8 приложений на 23 листах.

Основное содержание работы.

Во введении кратко описываются стоящие пq)eд технологией

машиностроения задачи, связанные в более качественным изготовлением деталей машин и узлов с учетом достижений науки и техники. Широкие перспективы одного из направлений в этой области имеет изготовлений деталей из синтетической керамики. Определяется связь аналитических исследований с практическим изготовлении РК УЗП, определяются пути решения проблемы и приводятся некоторые результаты работы.

В первом разделе

рассматривается объект исследования: УЗП - РК. Приводятся основные технические требования, предъявляемые к изделию и материалам для его изготовления. Требования к точности и качеству обрабатываемых поверхностей и непосредственно к синтетической керамике - борнилиту. Отмечаются его физико-механические свойства, методы получения заготовок и их контроль для обнаружения дефектов (сколов, окслений, трещин) и методы разбраковки.

Рассматриваются особенности обеспечения точности и шероховатости поверхности при точении РК, вопросы влияния деформации технологической системы и их влияние на качество детали. Анализируются пути совершенствования технологических процессов, нормативных материалов по выбору инструмента и режимов резания. Приведены некоторые научные исследования по обработке оригинальных синтетических материалов. Установлено, в силу специфических свойств материала, которым является борнилит (диэлектрическая непроницаемость, высокая химическая чистота), что применение несиловых методов обработки, таких как электрофизические, электрохимические, а также шлифование исключено. Первые два метода - в силу диэлектрических свойств борнилита, последний - в силу высокой вероятности шаржирования абразивом. Использование ультразвуковых методов очистки поверхности невозможно в силу хрупкости борнилита, что при ультразвуковых колебаниях приводит к образованию трещин. Определена цель исследования, которой является обеспечение заданной работоспособности РК УЗП путем обеспечения требуемой точности и качества обрабатываемых поверхностей камеры, изготовленной из борнилита. Установлено, что для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать физические закономерности резания борнилита для оценки стойкости инструмента.

2. Исследовать влияние конструкторско-технологических факторов на шероховатость, точность, трещинообразование при токарной обработке поверхности камеры.

3. Разработать технологические рекомендации для токарной обработки РК.

4. Осуществить испытания РК и оценить ее надежность.

Во втором разделе

исследуются физические закономерности резания борнилита при оценке долговечности инструментального материала. Приведена методика проведения теоретических и экспериментальных исследований. Рассматривается физическая модель процесса разрушения поверхностного слоя в результате механического воздействия. Предложен общий метод расчета результирующих сил резания Ия по аналитическим уравнениям:

Ищмах) а 3.4 стя • Бп.к. Н. (1)

ая = ств (1 + 1.35 \|/) Па - разрушающее значение напряжений в

материале, ств- предел прочности в Па, у - относительное сужение (для керамики = 0).

Площадь пятна контакта:

Осуществлялся расчет глубины проникновения упруго-пластической деформации в зависимости от скорости внешнего деформационного воздействия (скорости резания).

По формуле, приведенной в статье Комарова В.А. глубина проникновения деформации вычислялась по формуле

Sn.it * 8о [ ^-¿¿Лй£¿£3

мм2

(2)

Бо - подача, мм/об I - глубина резания, мм Ф, ф1 - углы резца.

0 V

м

(3)

г-

(4)

где

С - постоянная физико-механических свойств обраба-

тываемого материала;

ам = Хм / (См • рм)- его температуропроводность, м2/с; N - число слагаемых ряда Фурье ( 1/^7, ¡=1,2,3... п); V - скорость резания, м/с.

На базе расчета результирующих сил, действующих на резец и глубины проникновения упруго-пластической деформации был построен график (Рис. 1)

Зависимость результирующих сил, действующих на резец, от глубины проникновения упруго-пластической деформации в направлении действия нагрузки при фиксированном угле заточки резца ср.

• -н-1-1-1-1-1-1-1-1-1-(-1^11-1-1-1

о 0.1 о.з о.з 0.4 о.< о.а о.т о.а о.о 1 1.1 1.3 1.) 1.' 1.1 1.* ^

Рис. 1.

На графике участок схождения кривых в одну линшо, характеризующий постоянную глубину проникновения деформации (глубина трещинообразования) соответствует значению 1о = 0.65-1 О*3мм.

Зависимость скорости точения от глубины проникновения упруго-пластической деформации в направлении действия нагрузки.

-ч-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

О 0.1 0.3 0.3 0.* 0.1 0 .0 О.Т 0.« 0.0 1 1.1 1.3 1.3 1.4 1.« 1.0

Рис. 2.

4 I

4 0

1 I

э о

2 I

2 О

I «

I о

На рисунке 2 приведена графическая зависимость формулы (2), которая использовалась для выбора диапазона варьирования скорости резания при величине от 1о = 0.65-10-3мм до 1о = 0.75-10-3 мм (в пределах ее приближения к стабилизации от силовых факторов) что соответствует скорости точения борнилита V = 28 м/мин до V = 32 м/мин.

В соответствий с доказанным положением трудами Сибирского отделения Академии Наук СССР Кузнецова В.Д. о прямой корреляции между температурой материала режущей части инструмента в зоне резания и его износом. Расчет температуры режущей кромки в месте контакта с обрабатываемым материалом осуществлялся с учетом гипотезы об импульсном высокочастотном характере разрушения при резании.

1.7ав-Ь-кш V ГГ7

Тп.к. = ===== [2- — +--1.5 V —] °С (5)

V гс-лц-Си-ри- ^?.м-См-рм-N1 и 1х

где: (7в - предел прочности, Н/м2

Ь - фактическое сечение стружки, м2

чХи-Си-ри

кШ ~ ^-и-Си-ри + ^С^м -коэффициент / Шарона,

1х-V

N1= - - количество импульсов тепловой энергии,

С • со • N

1Х -лО - длина траектории резца, м

Хи-Си- ри - теплофизическне свойства режущего инструмента,

Хм-См-рм - теплофизическне свойства обрабатываемого материала.

По данным расчета построены зависимости диаметра точения от температуры пятна контакта при различной скорости, подачи изображенные на рис. 3, и зависимость скорости резания от температуры пятна контакта при различной подаче в зависимости от материала резца (Рас. 4).

Тпх

счоо

Зависимость диаметра точения от температуры пятна контакта при различной подаче, скорости.

40 ¿о

Рис. 3.

Зависимость скорости резания от теипературы пятна контакта при различной подаче в зависимости от материала резца.

Рис. 4.

'мин

В результате анализа математической модели и оценки термонагружения инструмента определена область параметров режимов

резания для обеспечения К а в заданном диапазоне. Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

V Sheph Shiict t Ra

м/мин мм/об мм/об мм мкм

27... 30 0.2 ... 0.3 0.1 ... 0.05 0.5 ... 1.0 1.0 ... 2.0

В третьем разделе

дана оценка точности и шероховатости обработки РК на операции точения. Поставлена задача аналитического моделирования токарной операции, используемой для обтачивания РК из борнилита, построена технологическая размерная цепь.

О --ж-Г*-У

Разработана математическая модель прогнозирования отклонения от круглостн при точении РК: Конечная функция DH = pmix - pmin , ММ Промежуточная функция p¡ = Ri + 5i + 82+ 83, мм Расчетные функции Si = Ki • V Ру2 + Рг2 , Н/мм2 82= К: • Рх, Н/мм2 5з= 8б.ш. • sin ( фн + ф ), Н/мм2 Рх= (F/V2) • ctg ( фН - ф ), Н Ру= (F/V2) • sin фн , Н Рг= F/V2, Н

F = 1.7 ств (1 + 1.35 у) So ■ t$ , Н Ц = tP + 0.5 Spj. + 5р.з. • sin (фн + ф), мм

Математическая модель прогнозирования отклонения

шероховатости поверхности при точении РК: Конечная функция Rz = Rzp + DRz ,мкм Промежуточная функция DRz = Rjp + К • sin ф tg фн ,мкм Расчетные функции

Rzp = (So • sin ф sin фн) / sin ( фН + ф ), мкм

pi = Ri + 61 + 5г+ 8з, мм

5i = Ki • V Р,2 + Pz2 , Н/мм2

52= К2 • Рх , Н/мм2

5з= 5б.ш. • sin ( фн + ф ), Н/мм2

Рх= (F/NÍ2) • ctg (фН - Ф), Н

Ру= (F/V2) • sin фн, Н

Рг= F/V2, Н

F = 1.7 ов (1 + 1.35v|/)So-tí,H = tP + 0.5 8р.з. + 5p.j. • sin ( фн + ф), мм

Ri - радиус настройки, мм

Ki- податливость шпинделя, Н/мм2

Кг- податливость суппорта, Н/мм2

Ф, фн - исходные параметры, определяющие фазовые положния углов шпинделя и детали в начальный момент времени

Принятый закон колебаний припуска и радиального биени шпинделя соответствует закону гармонических колебаний и описывает их функцией синуса.

Разработаны блок-схемы и программы расчета для решения технологической задачи на ЭВМ. Установлено, что в пределах изменения жесткости выпускаемых станков от класса Н до класса П податливость их основных узлов, характеризующая принятую схему точения (Ki - суппорта и Кг - шпинделя) существенного влияния на отклонения от круглости, контролируемого в заданных пределах (бн^О.Змм) не оказывает. Рост податливости этих узлов станка в пределах указанных классов существенно влияет на шероховатость поверхности. Результаты расчета подтвердились на экспериментальных исследованиях.

В четвертом разделе

разработаны технологические рекомендации по механической обработке борнилита. С целью сокращения количественных экспериментов проведено математическое планирование экспериментов и условия их проведения с варьированием факторов S - подача, V - скорость точения. Разработана регрессивная модель технологического процесса обработки борнилита и получено уравнение регрессии:

Кг = - 0.334 + 4506.6 Бо + 2.2122 V2 - 5435.8 Бо2 --0.6452 БоУ - 62.169 V , мкм

позволяющие определять режимы резания для обеспечения заданного уровня шероховатости поверхности, приведенного в таблице 1.

В пятом разделе

рассматриваются цели и задачи испытания РК в составе УЗП. Определены общие требования к приемо-сдаточным испытаниям, приведена методика испытаний РК УЗП с различными источниками питания для проведения процесса плавки. Графики распределения температур по длине РК изображены на рис. 5, 6.

График распределения температур по длине РК (на исследованном участке) в процессе зонной плавки.

Рис. 5

График распределения температур по длине РК (на исследованном участке) в процессе направленной

Проведенные эксперименты подтвердили высокую эксплутационную работоспособность РК и доказали возможность применения синтетической керамики (борнилит) для изготовления РК без значительных изменений конструции УЗП.

Заключение.

1. Анализ современных тенденций развития технологии машиностроения и научных исследований показал, что существует проблема механической обработки изделий, изготавливаемых из синтетической керамики, в частности, из борншшта, и ее решение весьма актуально.

2. В реальных условиях производительность и качество токарной обработки борнилита ограничено и определяется комплексом конструкторско - технологических факторов.

3. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена гипотеза об импульсном высокочастотном характере разрушения материалов при резании, на основе которой стал возможен количественный прогноз трещинообразования при точении борнилита.

4. Частота силовых и энергетических колебаний зависит от физико -

механических свойств борннлита, и растет с ростом скорости резания, при скоростях резания 27 м/мин частота составляет 18 кГц.

5. Проведенные эксперименты и аналитический прогноз показали, что при скорости резания 27 м/мин при сечении стружки 0.1 мм стойкость режущего инструмента была свыше 10 часов при обработке борнилита.

6. Предложена математическая модель, позволяющая оптимизировать режимы резания.

7. Разработанная аналитическая модель процесса точения заготовок из борннлита позволяет по величине заданных отклонения от круглости п шероховатости поверхности выбрать режимы точения, а также управлять точностью и жесткостью узлов станка - приспособления и углами заточки резца.

8. Разработанные технологические рекомендации позволяют выбрать по заданной шероховатости и точности обработки поверхности не только оптимальные по стойкости инструмента режимы резания, но и условия реализации операции.

9. Испытания РК в составе УЗП, обеспечивающие выдерживание рабочих параметров в заданных пределах, показали ее высокую работоспособность в пределах расчетного ресурса работы (5000 часов).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Анпсимов А.Н. К вопросу примерення синтетической керамики в машиностроении. Тезисы докладов на научно-технической конференции Моделирование и исследование сложных систем. Кашира, 1996, Междунардная Академия Информатизации.

2. Анисимов А.Н., Ершов A.A., Михайлов A.A. Перспективы и эффективность применения новых сверхтвердых материалов в машиностроении. Сборник научных трудов кафедры Прикладная механика, выпуск 4, Вопросы исследования прочности деталей машин. М. 1996., МГАПИ.