автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса восстановления деталей со сложными поверхностями управлением закономерностями формирования многоуровневого поверхностного слоя

На правах рукописи

РЕЗИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СО СЛОЖНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ УПРАВЛЕНИЕМ ЗАКОНОМЕРНОСТЯМИ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОУРОВНЕВОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения;

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

^ ^ £ На правах рукописи

РЕЗИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ СО СЛОЖНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ УПРАВЛЕНИЕМ ЗАКОНОМЕРНОСТЯМИ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОУРОВНЕВОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения;

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Вивденко Ю.Н.;

кандидат технических наук, доцент Макаренко Н.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Браилов И.Г.;

кандидат технических наук, доцент Федоров С.И.

Ведущая организация: ФГУП Омский научно-исследовательский институт

технологии и организации производства двигателей

Защита состоится «29» сентября 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.05 в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «23 » 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.Б. Масягин

2МГ423

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одной из составляющих характеристик конкурентоспособности изделий является их ремонтопригодность, где значительную роль выполняют технологии восстановления деталей. Так, в настоящее время доля деталей с поверхностями вращения из общего числа восстанавливаемых составляет более 50 %. В ряде случаев себестоимость их восстановления составляет от 40 до 60 % от себестоимости изготовления новой детали. Особое место при восстановлении отводится деталям, имеющим сложные поверхности. К качеству этих поверхностей предъявляются повышенные требования. К таким деталям относятся в частности детали со сферическими поверхностями. При восстановлении указанных деталей особое место занимают технологии с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя, когда восстановительный слой наносят и снимают в несколько этапов.

В ранее выполненных разработках одним из основных направлений повышения эффективности процессов восстановления деталей с нанесением материала восстановительного слоя являлась разработка новых методов нанесения этого слоя. Однако недостаточно полно были рассмотрены вопросы повышения эффективности процесса восстановления деталей технологическими методами. С учетом отмеченного недостаточно полно реализованы возможности автоматизированного проектирования технологических процессов восстановления, при назначении условий размерной обработки после нанесения материала восстановительного слоя приходится прибегать к экспериментальным исследованиям, вследствие завышения толщины наносимых и снимаемых слоев происходит перерасход материалов. Указанные проблемы при восстановлении деталей увеличивают себестоимость процессов восстановления, а следовательно, снижают их эффективность.

Таким образом, повышение эффективности процессов восстановления деталей на основе технологического управления условиями процесса восстановления при многократном нанесении и снятием материала следует считать актуальной теоретической и практической задачей.

Основные решения представленной работы выполнены на примере нанесения материала восстановительного слоя плазменно-дуговым напылением с учетом того, что этому методу нанесения материала восстановительного слоя соответствует наиболее широкий набор операций технологических воздействий на восстанавливаемую деталь. Это позволяет перенести полученные результаты на многие методы обработки при восстановлении деталей машин.

Цель работы. Повышение эффективности технологических процессов восстановления деталей со сложными поверхностями при многократном нанесении и снятии материала на основе автоматизированного проектирования технологических процессов восстановления деталей, снижения трудоемкости подготовки технологических данных для этих процессов и обоснованного назначения пооперационных технологических размеров.

Методы исследований. Теоретическая часть работы включает:

- определение закономерностей формирования технологических процессов

восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя на основе положений теории множеств;

- исследование процесса формирования суммарной погрешности размерной обработки деталей со сферическими поверхностями с применением физического моделирования на основе положений теории подобия, моделирования и размерностей;

- установление закономерностей формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя в условиях восстановления деталей с поверхностями вращения на основе положений теории графов.

Экспериментальные исследования были проведены с применением натурных деталей со сферическими поверхностями и их моделей.

Научная новизна включает следующее:

- на основе положений теории множеств разработана математическая модель формирования технологических процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя;

- на основе положений теории подобия, моделирования и размерностей с использованием физического моделирования разработан метод прогнозирования суммарной погрешности размерной обработки деталей со сложными поверхностями по данным о суммарной погрешности размерной обработки деталей с простыми поверхностями;

- на основе положений теории графов с применением двоичного позиционного дерева предложена математическая модель формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя в условиях восстановления деталей.

Практическая ценность работы.

Разработана методика конструкторско-технологической классификации условий восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, которая может быть использована в качестве фрагмента САПР при проектировании технологических процессов восстановления деталей с возможностью учета условий промышленного применения.

Получена возможность прогнозирования суммарной погрешности размерной обработки деталей со сферическими поверхностями на основе известных данных о суммарной погрешности размерной обработки деталей с цилиндрическими поверхностями, что позволяет снизить трудоемкость подготовки технологических данных при обработке деталей со сферическими поверхностями.

Разработана методика расчета технологических размерных цепей деталей с поверхностями вращения при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя в условиях восстановления.

На основе полученных результатов разработаны компьютерные программы: проектирования технологического процесса восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала

поверхностного слоя; поиска независимых параметров при определении критериев подобия; расчета технологических размерных цепей деталей с поверхностями вращения при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя.

Разработаны технологические рекомендации по промышленному применению результатов работы.

Подтверждена эффективность предложенных подходов при проектировании процессов обработки с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя для сокращения затрат на подготовку информационно-технологических базовых данных.

Автор выносит на защиту.

Математическую модель формирования технологических процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя.

Метод прогнозирования суммарной погрешности размерной обработки деталей со сложными поверхностями по данным о суммарной погрешности размерной обработки деталей с простыми поверхностями, на основе положений теории подобия, моделирования и размерностей с применением физического моделирования.

Математическую модель формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя.

Закономерности, результаты и выводы, полученные при выполнении работы.

Апробация работы. Основные результаты и теоретические положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

- IX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2003);

- Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2003);

- 43-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных устройств и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера» (Омск, 2004);

- II Международном технологическом конгрессе «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе» (Омск, 2003).

- XXV Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2004);

- седьмой Международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин» (Казань, 2004);

- 1П Международном технологическом конгрессе «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе» (Омск, 2005).

Публикации. По результатам исследований опубликовано в научно-технических изданиях 5 статей, 5 докладов и 2 тезисов докладов. Получен 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Работа содержит 178 страниц ма-

шинописного текста, 64 рисунка, 25 таблиц, список литературы, включающий 138 наименований.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, кратко изложены направления исследований, позволяющие решить поставленные научные и практические задачи.

В первой главе представлен аналитический обзор источников научно-технической информации, отражающих состояние проблемы при проектировании технологических процессов восстановления деталей со сложными поверхностями, назначении условий размерной обработки после нанесения материала восстановительного слоя и расчете технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя.

Основные решения, выполненные в работе, основаны на фундаментальных исследованиях ученых по следующим направлениям:

- по управлению качеством поверхностного слоя, обработке деталей со сложными поверхностями, ремонту и восстановлению деталей машин - A.M. Сулима, Э.В. Рыжова, А.Г. Суслова, A.M. Дальского, В.В. Кудинова, В.И. Чер-ноиванова, E.JL Воловика, Г.С. Маслова, Л.Н. Филимонова;

- по автоматизации поиска технологических решений - Г.К. Горанского, Р. Басакера, Н.Г. Васильева;

- по методологии применения положений теории подобия, моделирования и размерностей - М.В. Кирпичева, В.А. Веникова, П.М. Алабужева;

- по расчету размерных цепей - Б.С. Балакшина, И.А. Колесова, Б.С. Мордвинова, A.A. Ситникова, Ю.А. Харламова, О.В. Таратынова.

На основе выполненного анализа установлены направления повышения эффективности технологических процессов восстановления деталей со сложными поверхностями. К этим направлениям относятся:

- применение САПР технологических процессов восстановления деталей со сложными поверхностями;

- назначение рациональных условий размерной обработки деталей после нанесения материла восстановительного слоя с минимальными затратами на подготовку технологических базовых данных;

- применение автоматизированного расчета технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя из условия сокращения затрат как при нанесении, так и при снятии материала поверхностного слоя.

На основании теоретических исследований технологических процессов восстановления деталей и анализа данных научно-технической литературы, в развитие ранее выполненных исследований были сформулированы задачи работы:

1) разработать математическую модель формирования технологических процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя;

2) разработать метод прогнозирования суммарной погрешности размерной обработки деталей со сложными поверхностями по данным о суммарной погрешности размерной обработки деталей с простыми поверхностями;

3) разработать математическую модель формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя;

4) подтвердить экспериментально теоретические результаты, полученные в работе;

5) разработать рекомендации для промышленного использования результатов исследований и передать их на машиностроительные предприятия для внедрения.

Во второй главе представлена методика конструкторско-технологической классификации условий восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя. В основу методики классификации условий восстановления положена математическая модель формирования технологических процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя. Указанная математическая модель разработана на известных положениях теории множеств, с применением сравнительной логики и учетом особенностей формирования множеств условий на соответствующих этапах технологического процесса восстановления. Схема формирования множеств условий на соответствующих этапах технологического процесса восстановления деталей представлена на рис. 1. Применение сравнительной логики на основе модифицированных таблиц соответствия дает возможность повышения эффективности процесса восстановления за счет гибкой оценки целесообразности применения методов обработки на каждом этапе процесса восстановления детали.

Рис. 1. Схема формирования множеств условий на соответствующих этапах

проектирования технологических процессов восстановления деталей Методика классификации условий восстановления в соответствии со схемой формирования множеств условий на соответствующих этапах технологического процесса восстановления деталей со сферическими поверхностями (рис. 1) содержит три этапа проектирования указанных процессов: удаление дефектного, изношенного слоя; нанесение материала восстановительного слоя; промежуточная, окончательная размерная и отделочная обработки. Однако последовательность проектирования технологических процессов восстановления, предложенная в ра-

боте, не совпадает с последовательностью реализации этапов технологических процессов восстановления деталей. Так, на первом этапе проектирования технологических процессов восстановления деталей обосновываются методы нанесения материала восстановительного слоя, на втором - методы подготовки поверхности детали под нанесение материала восстановительного слоя, на третьем -методы промежуточной, окончательной размерной и отделочной обработок.

Для обоснования рациональных методов обработки на выделенных этапах процесса восстановления деталей разработаны соответствующие алгоритмы.

Алгоритм обоснования методов обработки при нанесении материала восстановительного слоя представлен на рис. 2.

Рис. 2. Алгоритмы: а - программы, б - подпрограммы обоснования методов нанесения материла восстановительного слоя

б)

К85= В'

К88>А__

4 да

| 11=11+1 ]

А

1 |

] = П

Т«а

с Возврат ^

На первом этапе проектирования технологического процесса восстановления детали, при обосновании метода нанесения материала восстановительного слоя, исходными данными являются:

- классификационная таблица заданных характеристик детали;

- классификационная таблица методов нанесения материала восстановительного слоя;

- база сравнительных таблиц для всех методов нанесения материала восстановительного слоя, существующих на предприятии.

Результатом работы алгоритма (рис. 2) является перечень методов нанесения материала восстановительного слоя, обеспечивающих заданные характеристики детали после восстановления. Оценка целесообразности применения методов нанесения материала производится по комплексу критериев оценки. При обосновании методов обработки при подготовке поверхности детали под нанесение материала восстановительного слоя, промежуточной, окончательной размерной и отделочной обработках предусмотрены аналогичные решения.

На основе предложенной математической модели и алгоритма (рис. 2) разработана компьютерная программа автоматизированного проектирования технологических процессов восстановления на языке Borland Delphi 6.0.

В третьей главе изложен метод физического моделирования процесса размерной обработки шлифованием деталей со сферическими поверхностями, являющимся процессом-оригиналом, по базе данных о круглом шлифовании, являющимся процессом-моделью. В работе на основе физического моделирования решена задача прогнозирования суммарной погрешности размерной обработки объектов со сферическими поверхностями.

Метод физического моделирования базируется на положениях теории подобия, моделирования и размерностей и позволяет корректно переносить данные о технологических условиях и выходных характеристиках процесса-модели на процессы обработки деталей с более сложной формой. Рациональные условия размерной обработки процесса-модели могут быть получены экспериментально или взяты из справочной литературы. В результате многократно сокращается трудоемкость экспериментальных исследований на деталях со сложными поверхностями. Также имеется возможность замены экспериментальных исследований, при определении суммарной погрешности размерной обработки объекта процесса-модели, математическим моделированием.

Выбор процесса сферического шлифования обоснован тем, что такой процесс является одним из основных способов окончательной обработки деталей с прецизионными сферическими поверхностями.

Укрупненный алгоритм применения метода физического моделирования представлен на рис. 3.

На первом этапе доказано аффинное подобие сферы и цилиндра, что позволяет установить существование подобия процессов сферического и круглого шлифования. Для отражения влияния геометрических характеристик обрабатываемых деталей применено понятие коэффициента нелинейности, характеризующего пропорциональность сходственных точек на поверхностях

объектов процесса-модели и процесса-оригинала. Коэффициенты нелинейности по осям координат определены по известным уравнениям:

К-Н , г • ЯШфг • БШфз • 5Шф4 ;

к-нг=1.

где Г|, г2 - радиусы объектов процесса-модели и процесса-оригинала соответственно; <р, - углы расположения сходственных точек на поверхностях объектов процесса-модели и процесса-оригинала (рис. 4). Основные этапы определения критериев подобия между процессом-моделью и

_процессом-оригиналом_

Доказательство геометрического подобия сферической и цилиндрической поверхностей методом аффинного подобия

Определение критериев подобия между

процессом-моделью и процессом-оригиналом >

Прогнозирование суммарной погрешности обработки процесса-оригинала по данным суммарной погрешности обработки процесса_модели_

Определение коэффициентов пропорциональности

Рис. 3. Последовательность этапов определения критериев подобия процесса-модели и процесса-оригинала и результаты, получаемые на соответствующих этапах

На втором этапе были определены критерии подобия процесса-модели и процесса-оригинала. Определение критериев подобия в работе выполнено на основе системы относительных единиц. При определении независимых параметров, характеризующих процесс формирования суммарной погрешности размерной обработки, была применена ранее разработанная и опробованная компьютерная программа на языке С++.

В качестве условий обработки, влияющих на формирование суммарной погрешности, были рассмотрены: Ук - скорость круга, м/с; Уд - скорость детали, м/мин; - поперечная подача, мм/дв.ход; Б] -продольная подача, мм/мин; ^ - время контакта шлифовального круга с деталью, мин; Ьу - скорость изнашивания шлифовального круга, мм/мин.

Результаты, получаемые на соответствующих этапах

сходственных точек на поверхностях объектов процесса-модели и процесса-оригинала

Критерии подобия, определенные на основе системы относительных единиц теории подобия, моделирования и размерностей, имеют вид

УЧ. д1„ Ч'Ч аЕ,в

wW' - УЧ. Ае, hv„ ' 4«

Aj. VK • tK

где Aj,, VK , tK], 8Ц, hV] - суммарная погрешность и условия обработки процесса-модели; AIt, VK е , tK|£, s,ib, hVb - базисные значения соответствующих величин, определяемые в соответствии с положениями теории подобия, моделирования и размерностей.

На третьем этапе была дана предварительная оценка суммарной погрешности обработки процесса-оригинала.

На четвертом этапе были произведены экспериментальные исследования и определены коэффициенты пропорциональности для каждого из рассмотренных условий обработки. В общем виде уравнение, определяющее зависимость между суммарной погрешностью обработки деталей с цилиндрическими и сферическими поверхностями, представлено в виде

д1,=f (vk,» Уд,. *м,. s2,. Si,. bv,) = я • Кн • Кп ■ f (VKi, УД2, tMj, s2j, sb, hVj).

Результатом применения разработанного метода физического моделирования является ряд критериев подобия, позволяющих прогнозировать суммарную погрешность размерной обработки процесса-оригинала по данным о суммарной погрешности размерной обработки процесса-модели.

На основе полученных критериев подобия была определена зависимость суммарной погрешности размерной обработки от условий шлифования. На рис. 7 приведены зависимости суммарной погрешности размерной обработки от изменения продольной подачи.

По результатам исследований сделаны выводы об эффективности применения разработанного метода при решении теоретических и практических задач определения рациональных условий размерной обработки, определены основные перспективы развития данного направления применительно к решению ряда технологических задач.

В четвертой главе представлена математическая модель формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя. Основные подходы при оценке технологических размерных цепей выполнены на основе положений теории графов с применением двоичного позиционного дерева. Результатом построений, на основе положений теории графов, является математическая модель формирования технологических размерных цепей при восстановлении детали, представленная на рис. 5. Вершинами являются поверхности, возникающие в процессе восстановления детали, ребрами - размерные связи и погрешности, возникающие в процессе восстановления.

Система координат детали

Система координат станка

Рис. 5. Математическая модель формирования технологической размерной цепи для процесса восстановления деталей с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя

При построении физической модели поверхностного слоя, математической модели формирования технологических размерных цепей и составлении расчетных зависимостей предложено рассматривать следующие составляющие звенья технологических размерных цепей: г - номинальный радиус детали после восстановления; расчетные радиусы детали: Ги - изношенной, г, - после удаления дефектного изношенного поверхностного слоя, г/ - после подготовки поверхности под нанесение материала восстановительного слоя, г„од - после нанесения подслоя, гс - после нанесения основной части восстановительного слоя, г, -после нанесения основной части восстановительного слоя и термообработки, г1юк - после нанесения покрытия, гр - после размерной обработки основной части восстановительного слоя; г,"®1, г,"** - наименьший и наибольший предельные радиусы детали после соответствующей размерной обработки; Т, - допуск на соответствующий размер; заданная толщина: Н^ - основной части восстановительного слоя после размерной обработки, Н^ - подслоя, - покрытия; Нх, - толщина переходного слоя между двумя соседними слоями материала; Н - толщина подслоя после его нанесения; Н"*" - толщина основной части восстановительного

слоя после его нанесения; Н "о" - толщина покрытия после его нанесения; Н | -толщина основной части восстановительного слоя после нанесения и термообработки; - толщина поверхностного дефектного слоя изношенной детали; Ни - толщина слоя, связанная с неравномерным износом; Н^ - толщина поверхностного дефектного слоя, не удаленная при размерной обработке изношенной поверхности, гарантированно снимаемая при создании оптимальных условий для нанесения восстановительного слоя; Н^ - толщина покрытия,

удаленная размерной и отделочной обработкой; - толщина основной части восстановительного слоя после термообработки, удаленная размерной обработкой;

- толщина дефектного слоя на соответствующей обработке; Ь - толщина слоя, снимаемая при удалении дефектной изношенной поверхности; Ь' - толщина слоя, снимаемая при подготовке поверхности под нанесение восстановительного слоя; Нус - величина усадки материала после термообработки на сторону; рф, -отклонение формы детали на соответствующей обработке; Их, - шероховатость поверхности на соответствующей обработке; Л^, - суммарная погрешность размерной обработки соответствующей поверхности; ТРг - допуск формы детали на соответствующей обработке.

В общем виде расчетная толщина снимаемого слоя на сторону определена по уравнению

<т> д МАХ

Расчетный радиус детали после удаления дефектного слоя в соответствии с общепринятыми представлениями можно определить по уравнению

_ «.—MAX i.

Г.-1-1 -п,-

Условием обеспечения заданной точности будет являться выполнение зависимости

Т, ¿Д"**.

Расчетную толщину наносимого восстановительного слоя при обеспечении заданной толщины поверхностного слоя после восстановления детали, предусмотрено определить как

нГ,млх=н,лд+Тк+^.+НД+Нус +Rz +рмлх +Нх+1

При расчете толщины слоя после его нанесения из условия компенсации материала, потерянного при изнашивании детали, уравнение будет иметь вид

Расчетный радиус детали после нанесения материала восстановительного слоя определяют по формуле

MiN ,нНАН li ri-l "i

Условием обеспечения заданых требований точности при нанесении материала восстановительного слоя будет являться выполнение соотношения

TF^P*,-

На основе предложенной математической модели формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя в условиях восстановления разработана программа автоматизированного расчета технологических размерных цепей на языке Borland Delphi 6.0.

В пятой главе изложены методика и результаты экспериментальных исследований проверки физической, математических моделей, расчетных зависимостей и гипотез, сделанных в предыдущих главах, даны рекомендации по промышленному применению результатов работы и указаны перспективы развития выполненных в работе решений.

Экспериментальные исследования проведены на специально созданном экспериментальном стенде на базе заточного станка ЗЕ-642. Для измерений на стенде применен индуктивный датчик ДР-01 с регистрацией данных на ЭВМ. Укрупненная схема экспериментального стенда представлена на рис. 6. Характеристики процесса-модели и процесса-оригинала и условия обработки назначены исходя из решения задач исследования.

Зависимости суммарной погрешности размерной обработки от изменения продольной подачи, полученные теоретическим путем, на основе экспериментальных исследований и после введения коэффициента пропорциональности, приведены на рис. 7.

Исходные данные для расчета технологических размерных цепей, результаты расчета и данные, полученные экспериментальным путем, представлены в табл. 1.

Рис. 6. Укрупненная схема экспериментального стенда: 1 - электродвигатель привода продольной подачи при обработке образцов со сферическими поверхностями; 2 - электродвигатель привода вращения образца; 3 - ременная передача привода продольной подачи; 4 - червячная передача; 5 - шлифовальный круг; 6 - индуктивный датчик; 7 - ЭВМ; 8 -динамометр; 9 - нагружающее приспособление; 10 - усилитель; 11 - самописец; 12 - подача сжатого воздуха; 13 - подача СОЖ; 14 - следящая система

Проведенный анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о соответствии результатов экспериментов прогнозируемым значениям, определенным на основании решений, изложенных в предыдущих главах. Отклонение экспериментальных результатов от теоретических не превышает 15 %, что является достаточно точным результатом для рассматриваемой области исследований.

Результаты экспериментальных исследований и промышленных испытаний показали, что расчет технологических размерных цепей на основе математической модели их формирования, предложенной в работе, позволяет снизить затраты на восстановление деталей от 20 до 40 %.

По результатам работы разработаны и направлены для внедрения технологические рекомендации «Технологические размерные цепи и погрешности при восстановлении деталей со сферическими поверхностями». Разработанные рекомендации содержат базовые сведения по расчету технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, по настройке технологического оборудования при размерной обработке, по анализу погрешностей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя.

Рассмотрены перспективы развития результатов настоящей работы. Одним из направлений развития работы является безразборное восстановение на основе процесса электрохимико-механической обработки (ЭХМО).

50

51

52

53

54

55

$1, мм/мин

Рис. 7. Зависимости суммарной погрешности размерной обработки от изменения продольной подачи: материал восстановительного слоя ПР-Х29Н9М2Б, шлифовальный круг 45А16СМ17К5

- Образец со сферической поверхностью, данные получены рачетом, Образец с цилиндрической поверхностью, данные получены рачетом; Образец с цилиндрической поверхностью, данные получены эксперимен гально, Образец со сферической поверхностью, данные получены экспериментально,

- Ображц со сферической поверхностью после введения коэффициента пропорциональности;

- Образец с цилиндрической поверхностью после введения коэффициента пропорциональности

Таблица 1

Исходные данные

Характеристики детали после восстановления изношенной детали

Обозначение Д, мм Т, мм Яа, мкм Ди, мм Нп, мм н«, мм н„, мм

Величина, мм 80,000 +0,072 +0,0« 1,500 79,800 0,070 0,050 0,030

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных, мм

Обозначение д; д, Ч[10Д Диод Нс До Др

х 5 о й г з -« ; ? 3 £ £ 79,335 79,474 0,223 79,789 0,266 80,432 80,059

я 1 » Я Р о « 8. МАХ 79,381 79,520 0,283 79,901 0,382 80,552 80,072

Данные, полученные экспериментально, мм 79,370 79,487 - 79,890 80,520 80,065

Преимуществами указанного метода являются:

- повышенная точность оценки размеров износа деталей и толщины наносимого слоя в режиме самоорганизации;

- возможность применения метода ЭХМО в эксплуатируемых системах с замкнутой технологической средой с использованием принципа самоорганизации, с компенсацией слоя, потерянного при изнашивании;

- экологичность технологии вследствие отсутствия агрессивных сред.

Выводы и результаты работы

1. При проведении теоретических исследований технологических процессов восстановления деталей и анализе данных научно-технической литературы были установлены основные проблемы при проектировании и реализации технологических процессов восстановления деталей, что позволило определить направления решений технологических задач повышения эффективности процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя.

2. На основе положений теории множеств разработана математическая модель формирования технологических процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, которая позволяет повысить эффективность технологического процесса восстановления деталей технологическими методами за счет обоснования наиболее рациональных методов обработки.

3. На основе разработанной математической модели формирования технологических процессов восстановления деталей предложена методика конструкторско-технологической классификации условий восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, которая может быть использована в качестве фрагмента САПР при проектировании технологических процессов восстановления деталей.

4. На основе положений теории подобия, моделирования и размерностей с использованием физического моделирования разработан метод прогнозирования суммарной погрешности размерной обработки деталей со сферическими поверхностями по данным о суммарной погрешности размерной обработки деталей с цилиндрическими поверхностями, это позволило сократить количество экспериментов на этапе подготовки технологических данных при проектировании процесса восстановления.

5. Предложен вариант автоматизированного поиска независимых параметров при определении критериев подобия, который может быть использован при решении ряда технологических задач на основе положений теории подобия, моделирования и размерностей.

6. На основе положений теории графов с применением двоичного позиционного дерева предложена математическая модель формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, которая позволяет повысить эффективность процессов восстановления деталей за счет обоснованного назначения пооперационных

технологических размеров детали, толщины наносимых и снимаемых слоев с учетом погрешностей и допусков на каждом уровне обработки.

7. На основе разработанной математической модели формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя разработана программа автоматизированного расчета технологических размеров детали, которая может быть использована в качестве фрагмента САПР как при изготовлении, так и при восстановлении деталей, когда их обработка связана с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя.

8. При сопоставлении данных, полученных экспериментальным путем и теоретическими методами исследований, установлено, что отклонение экспериментальных результатов от теоретических не превышает 15 %, полученный результат является достаточно точным для рассматриваемой области исследований и подтверждает достоверность разработанных физической и математических моделей.

9. Разработан экспериментальный стенд для исследования процесса шлифования деталей с поверхностями вращения, в том числе и со сферическими, который позволяет определять опытным путем широкий спектр характеристик процесса шлифования деталей. Отдельные конструкторско-технологические решения по созданию экспериментального стенда могут быть использованы при создании новых моделей сферошлифовальных станков.

10. Разработанные по результатам исследований технологические рекомендации приняты к использованию и внедрены на двух машиностроительных предприятиях г. Омска: в ФГУП ОМО им. П.И. Баранова и в ГУЛ Центре внедрения новой техники и технологий «Транспорт». Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения при восстановлении и изготовлении деталей составляет 590 тыс. руб.

11. Отдельные результаты разработок внедрены в учебный процесс при разработке разделов лекционных курсов и лабораторных работ технологических дисциплин при подготовке специалистов инженерных специальностей 151001 и 151002.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Резин, С. А. Моделирование технологического обеспечения точности обработки деталей летательных аппаратов / С. А. Резин // XXX Гагаринские чтения : тез. докл. Междунар. молодежной конф. / М. МАТИ. - М., 2004. -Т.З.-С. 88-89.

2. Резин, С. А. Решение задач изготовления деталей сложной формы наукоемких изделий при многослойном формировании поверхностного слоя деталей / С. А. Резин, С. И. Гергенредер, Е. В. Крейцберг // Современные техника и технологии : докл. IX Междунар. науч.-практ. конф. студ., асп. и молодых ученых / Томск, политехи, ун-т. - Томск, 2003. - Т. 1. - С. 202-204.

3. Резин, С. А. Автоматизация проектирования технологических процессов изготовления и восстановления деталей со сложными поверхностями / С. А. Резин, А. П. Чумаков // Наука. Технологии. Инновации : сб. докл. Всерос.

науч. конф. студ., асп. и молодых ученых / Новосибирск. НГТУ. - Новосибирск, 2003. - Ч. 6. - С. 37-39.

4. Макаренко, Н. Г. Обеспечение точности обработки деталей сложной формы компрессорной техники / Н. Г. Макаренко, С. А. Резин // Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин : тез. докл. VII Междунар. науч.-техн. конф. молодых специалистов / Казанский Научно-исследовательский и конструкторский институт центробежных и роторных компрессоров им. В.Б. Шнеппа. - Казань, 2004. - С. 74-78.

5. Вивденко, Ю. Н. Управление ресурсом трибосистем / Ю. Н. Вивденко, Н. Г. Макаренко, С. А. Резин // Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе : матер, науч.-техн. конф. / Сиб. отд. Рос. Акад. военных наук и др. - Омск, 2003. - С. 106-108.

6. Вивденко, Ю. Н. Формирование многоструктурного поверхностного слоя деталей в технологиях производства и ремонта машин / Ю. Н. Вивденко, Н. Г. Макаренко, С. А. Резин // Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе : матер, науч.-техн. конф. / Сиб. отд. Рос. Акад. военных наук и др. - Омск, 2003. - С. 79-80.

7. Вивденко, Ю. Н. Повышение ресурса транспортных и технологических машин формированием заданного состояния поверхностного слоя деталей / Ю. Н. Вивденко, Н. Г. Макаренко, С. А. Резин // Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера : сб. матер. 43-й Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров / ЛЕО. - Омск, 2004. - С. 84-85.

8. Вивденко, Ю. Н. Моделирование условий размерной обработки деталей со сложными поверхностями методами теории подобия / Ю. Н. Вивденко, Д. Н. Жеребятьев, С. А Резин // Механика процессов и машин : сб. науч. тр. / ОмГТУ. Омск, 2002. - С. 125-129.

9. Вивденко, Ю. Н. Выбор условий обработки прецизионных сферических поверхностей деталей машин / Ю. Н. Вивденко, Д. Н. Жеребятьев, С. А. Резин // Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе : сб. докл. технол. конгресса / Сиб. отд. Рос. Акад. военных наук и др. - Омск, 2002. - Ч. 3. - С. 98-100.

10. Вивденко, Ю. Н. Разработка метода повышения износостойкости деталей / Ю. Н. Вивденко, Н. Г. Макаренко, С. А. Резин // Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе : матер, науч.-техн. конф. / Сиб. отд. Рос. Акад. военных наук и др. - Омск, 2003. - Ч. I. -С. 102-105.

11. Вивденко, Ю. Н. Решение технологических задач восстановления деталей моделированием методами теории подобия / Ю. Н. Вивденко, Н. Г. Макаренко, С. А. Резин // Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе : сб. докл. технол. конгресса / Сиб. отд. Рос. Акад. военных наук и др. - Омск, 2005. - Ч. 2. - С. 36-38.

12. Kreizberg, Е. V. Providing for accuracy reguirements of the automated processing of thins-slab complex shape details of aeronautical engieneering / E. V. Kreizberg, S. A. Rezin // Modern Technigue and Technologies. Tomsk,

polytechnic institute. Tomsk, 2003, С. 111-112.

13. Способ повышения долговечности трибосистемы : пат. 2250410 Рос. Федерация, МПК7 F 16 N 15/00. / Н. Г. Макаренко, Ю. Н. Вивденко, О. А. Мамаев, А. А. Красноштанов, В. Р. Эдигаров, А. Н. Макаренко, С. А. Резин. ; Заявитель и патентообладатель Омский танковый инженерный институт. № 2003122245/06(023507); заявл. 16.07.2003 ; опубл. 20.04.05, Бюл. № 11. - 4 с.

РНБ Русский фонд

20074 906

Подписано в печать 15.08.2005 г. Формат 60x84x1/16

Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе на кафедре «Дизайн, реклама и технология полиграфического производства ОмГТУ»

Усл. печ. л 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 74

15 ИЮЛ 2005 '

- лаьввглк**.'

V

/

Введение.

Глава 1. Анализ закономерностей формирования поверхностного слоя при многократном нанесении и снятии материала в технологиях восстановления деталей ...

1.1 Процессы нанесения и снятия материала поверхностного слоя, как характерный прием при восстановлении деталей со сложными поверхностями.

1.1.1 Детали со сложными поверхностями в машиностроении и проблемы их восстановления.

1.1.2 Обоснование применения методов нанесения материала поверхностного слоя в технологиях восстановления деталей.

1.1.3 Этапы формирования многослойного поверхностного слоя.

1.2 Обоснование методов обработки при изготовлении и восстановлении деталей.

1.2.1 Классификация деталей в условиях восстановления.

1.2.2 Применение положений теории множеств при автоматизации принятия технологических решений.

1.3 Обеспечение требований точности при снятии материала поверхностного слоя.

1.3.1 Расчет суммарной погрешности размерной обработки.

1.3.2 Применение положений теории подобия, моделирования и размерностей при физическом моделировании.

1.4 Применение методик расчета технологических размерных цепей при изготовлении и восстановлении деталей.

1.4.1 Методики расчета технологических размерных цепей при проектировании технологических процессов изготовления деталей без нанесения материала поверхностного слоя.

1.4.2 Методики расчета технологических размерных цепей при проектировании технологических процессов с нанесением и снятием материала поверхностного слоя.

Выводы.

Глава 2. Конструкторско-технологическая классификация условий восстановления деталей на основе положений теории множеств.

2.1 Обоснование методики классификации условий восстановления.

2.1.1 Основные подходы к решению поставленной задачи.

2.1.2 Применение положений теории множеств при автоматизации проектирования процессов технологического воздействия восстановления деталей.

2.2 Структура методики классификации и основные задачи, решаемые при ее использовании.

2.3 Алгоритм обоснования методов обработки в условиях восстановления деталей.

Выводы.

Глава 3. Прогнозирование суммарной погрешности размерной обработки на основе на основе физического моделирования с применением положений теории подобия, моделирования и размерностей.^

3.1 Основные этапы применения положений теории подобия, моделирования и размерностей.

3.2 Выбор метода определения критериев подобия при моделировании процесса размерной обработки.

3.3 Выбор объекта процесса-модели.

3.4 Подготовка базовых данных для моделирования процесса обработки.

3.5 Определение коэффициента нелинейности при нелинейно-подобном преобразовании.

3.6 Определение критериев подобия на основе положений системы относительных единиц.

3.7 Применение положений теории подобия, моделирования и размерностей при прогнозировании суммарной погрешности размерной обработки.

Выводы.

Глава 4. Расчет технологических размерных цепей в условиях восстановления деталей при многократном нанесении и снятии материала с применением положений теории графов.9$

4.1 Закономерности формирования многоуровневой схемы поверхностного слоя.

4.2 Применение положений теории графов при оценке технологических размеров детали и восстановительного слоя.

4.2.1 Возможности применения положений теории графов для оценки технологических размеров детали и восстановительного слоя.

4.2.2 Анализ технологических размерных цепей с применением положений теории графов.

4.2.3 Определение погрешностей при многократном нанесении и снятии материала восстановительного слоя.

4.3 Общие подходы при расчете технологических размеров детали и восстановительного слоя.

4.3.1 Условия проведения расчета.

4.3.2 Определение толщины удаляемого слоя.

4.3.3 Определение толщины наносимого восстановительного слоя.

4.4 Методика расчета технологических размеров детали и восстановительного слоя.

Выводы.

Глава 5. Результаты опытно экспериментальных работ, перспективы развития выполненных решений и рекомендации по промышленному применению.

5.1 Цель и этапы проведения экспериментальных исследований.

5.2 Разработка и подготовка стенда к экспериментальным исследованиям.

5.2.1 Разработка экспериментального стенда.

5.2.2 Оценка отклонений и настройка экспериментального стенда.

5.3 Обработка и анализ результатов экспериментов.

5.3.1 Оценка достоверности метода физического моделирования при прогнозировании суммарной погрешности размерной обработки.

5.3.2 Оценка достоверности методики расчета технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала.

5.4 Рекомендации по промышленному использованию результатов работы.

5.5 Перспективы развития выполненных решений.

Выводы.

Выводы и результаты работы.

Одной из составляющих характеристик конкурентоспособности изделий является их ремонтопригодность, где значительную роль выполняют технологии восстановления деталей. Так, в настоящее время доля деталей с поверхностями вращения из общего числа восстанавливаемых составляет более 50 %. В ряде случаев себестоимость их восстановления составляет от 40 до 60 % от себестоимости изготовления новой детали. Особое место при восстановлении отводится деталям, имеющим сложные поверхности. К качеству этих поверхностей предъявляются повышенные требования. К таким деталям относятся в частности детали со сферическими поверхностями. При восстановлении указанных деталей особое место занимают технологии с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя, когда восстановительный слой наносят и снимают в несколько этапов.

В ранее выполненных разработках одним из основных направлений повышения эффективности процессов восстановления деталей с нанесением материала восстановительного слоя являлась разработка новых методов нанесения этого слоя. Однако недостаточно полно были рассмотрены вопросы повышения эффективности процесса восстановления деталей технологическими методами. С учетом отмеченного недостаточно полно реализованы возможности автоматизированного проектирования технологических процессов восстановления, при назначении условий размерной обработки после нанесения материала восстановительного слоя приходится прибегать к экспериментальным исследованиям, вследствие завышения толщины наносимых и снимаемых слоев происходит перерасход материалов. Указанные проблемы при восстановлении деталей увеличивают себестоимость процессов восстановления, а следовательно, снижают их эффективность. Таким образом, повышение эффективности процессов восстановления деталей на основе технологического управления условиями процесса восстановления при 7 многократном нанесении и снятием материала следует считать актуальной теоретической и практической задачей.

Для восполнения указных пробелов в работе рассмотрены возможности технологического управления процессами с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя. Так, рассмотрены возможности обеспечения заданного качества деталей при минимальных затратах в условиях восстановления деталей со сложными поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя.

Выводы и результаты работы

1. При проведении теоретических исследований технологических процессов восстановления деталей и анализе данных научно-технической литературы были установлены основные проблемы при проектировании и реализации технологических процессов восстановления деталей, что позволило определить направления решений технологических задач повышения эффективности процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя.

2. На основе положений теории множеств разработана математическая модель формирования технологических процессов восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, которая позволяет повысить эффективность технологического процесса восстановления деталей технологическими методами за счет обоснования наиболее рациональных методов обработки.

3. На основе разработанной математической модели формирования технологических процессов восстановления деталей предложена методика конструкторско-технологической классификации условий восстановления деталей со сферическими поверхностями при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, которая может быть использована в качестве фрагмента САПР при проектировании технологических процессов восстановления деталей.

4. На основе положений теории подобия, моделирования и размерностей с использованием физического моделирования разработан метод прогнозирования суммарной погрешности размерной обработки деталей со сферическими поверхностями по данным о суммарной погрешности размерной обработки деталей с цилиндрическими поверхностями, это позволило сократить количество экспериментов на этапе подготовки технологических данных при проектировании процесса восстановления.

5. Предложен вариант автоматизированного поиска независимых параметров при определении критериев подобия, который может быть использован при решении ряда технологических задач на основе положений теории подобия, моделирования и размерностей.

6. На основе положений теории графов с применением двоичного позиционного дерева предложена математическая модель формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя, которая позволяет повысить эффективность процессов восстановления деталей за счет обоснованного назначения пооперационных технологических размеров детали, толщины наносимых и снимаемых слоев с учетом погрешностей и допусков на каждом уровне обработки.

7. На основе разработанной математической модели формирования технологических размерных цепей при многократном нанесении и снятии материала поверхностного слоя разработана программа автоматизированного расчета технологических размеров детали, которая может быть использована в качестве фрагмента САПР как при изготовлении, так и при восстановлении деталей, когда их обработка связана с многократным нанесением и снятием материала поверхностного слоя.

8. При сопоставлении данных, полученных экспериментальным путем и теоретическими методами исследований, установлено, что отклонение экспериментальных результатов от теоретических не превышает 15 %, полученный результат является достаточно точным для рассматриваемой области исследований и подтверждает достоверность разработанных физической и математических моделей.

9. Разработан экспериментальный стенд для исследования процесса шлифования деталей с поверхностями вращения, в том числе и со сферическими, который позволяет определять опытным путем широкий спектр характеристик процесса шлифования деталей. Отдельные конструкторско-технологические решения по созданию экспериментального стенда могут быть использованы при создании новых моделей сферошлифовальных станков.

10. Разработанные по результатам исследований технологические рекомендации приняты к использованию и внедрены на двух машиностроительных предприятиях г. Омска: в ФГУП ОМО им. П.И. Баранова и в ГУЛ Центре внедрения новой техники и технологий «Транспорт». Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения при восстановлении и изготовлении деталей составляет 590 тыс. руб.

11. Отдельные результаты разработок внедрены в учебный процесс при разработке разделов лекционных курсов и лабораторных работ технологических дисциплин при подготовке специалистов инженерных специальностей 151001 и 151002.