автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности технологии пластического сверления

На правах рукописи

УСАЧЕВ Василий Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАСТИЧЕСКОГО СВЕРЛЕНИЯ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ПАР 2015

Самара 2015

005560461

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО СамГТУ)

Научный руководитель:

д.т.н. Ибатуллин Ильдар Дугласович, кафедра «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО СамГТУ

Офигцгальныг оппоненты:

Ведущая организация:

д.т.н., профессор кафедры «Тепловые двигатели» ФГБОУ ВПО «Тольятгинский государственный университет»

Бобровский Николай Михайлович

к.т.н., доцент кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет»

Шаламов Павел Викторович

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Зашита диссертации состоится «27» апреля 2015 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д212.217.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: Россия, г. Самара, ул. Гатактионовская 141, корпус №6, ауд. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО СамГТУ.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, диссертационный совет Д212.217.02.

Автореферат разослан: «^У» <Р 2. 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.217.02, д.т.н., профессор

А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Известно, что традиционная технология сверления не позволяет получить качественные отверстия под резьбу в тонкостенных заготовках из-за невозможности формирования достаточного количества витков резьбы. На практике данная проблема решается за счет установки фитингов (резьбовых втулок, гаек) (рис. 1 а-г), что усложняет конструкцию резьбовых отверстий. Наиболее технологичным в данном случае является использование пластического сверления (рис. I д) (технологии фирм «РоппОгШ». «/.есЬш». «СеШегсМП» и др.). Пластическое сверление реализуется в результате фрикционного разогрева и теплового размягчения материала заготовки под действием комбинации осевой силы и вращения инструмента (перфоратора), с последующим формированием в заготовке вытянутого участка в виде втулки с отверстием под резьбу. При этом получаемые отверстия имеют более высокую точность и низкую шероховатость по сравнению с традиционными методами формирования отверстий.

/

/

2

/

3 е

ти

53 2

\ N

; о 1

г д

Рис. 1. Примеры конструктивного исполнения резьбовых отверстий в тонкостенных заготовках: а. б, в, г - установкой и фиксацией резьбовой втулки; д) пластическим сверлением; 1- заготовка: 2 - резьбовая втулка: 3 - гайка.

А

р„

ни

Л

/

V

ку

Чса

л

V

V

а б в г д

Рис. 2. Формирование отверстия под резьбу в тонкостенных заготовках методом пластического сверления: а) прижатие перфоратора к заготовке; б) начало фрикционного разогрева и внедрения перфоратора; в) оттеснение материала заготовки и начало формирования втулки; г) завершение формирования втулки с отверстием; д) вывод перфоратора из заготовки.

В Самарской облает и данная технология применяется в ЗАО «ГК Электрощит ТМ-Самара», ОЛО «Агрегат» и др. предприятиях для формирования отверстий п тонкостенных заготовках для изг отовления корпусных конструкций.

Вместе с тем пластическое сверление эффективно не при любых технологических режимах обработки, п некоторых случаях наблюдаются деформация заготовки и поломка инструмента. Имеющиеся рекомендации не гарантируют оптимальной производительности. Поэтому на предприятиях до сих пор применяется эмпирический метод подбора режимов пластического сверления тонкостенных заготовок.

В этой связи актуальным является совершенствование технологии пластического сверления тонкостенных заготовок за счет научно обоснованного выбора рациональных технологических режимов, обеспечивающих повышение производительности обработки.

Диссертационные исследования выполнены в рамках реализации соглашения о предоставлении субсидий Министерства образования и на\'ки РФ №14.574.21.0010 от 17.06.2014.

Объект исследований. Технология пластического сверления отверстий под резьбу в тонкостенных заготовках.

Предмет исследований. Производительность пластического сверления и ее связь с технологическими режимами, геометрическими характеристиками и физико-механическими свойствами заготовки и инструмента, а также технология изготовления перфораторов, повышающих энергоэффективность пластического сверления.

Цель диссертационной работы. Повышение производительности и качества резьбовых отверстий в тонкостенных заготовках за счет выбора рациональных режимов пластического сверления на станках с ЧПУ. Для этого поставлены следующие задачи:

1. Разработать критерий и методику выбора рациональных технологических режимов пластического сверления, обеспечивающих максимальную производительность и требуемое качество отверстий под резьбу.

2. Провести анализ влияния физико-механических свойств материала заготовки и инструмента, технологических параметров на производительность пластического сверления, а также изучить показатели качества полу чаемых отверстий.

3. Разработать энергетическую модель пластического сверления, позволяющую оценивать производительность обработки в зависимости от выбранных технологических режимов.

4. Усовершенствовать технологию изготовления перфораторов, обеспечивающую повышение энергоэффективности пластического сверления.

5. Установить рациональные технологические режимы пластического сверления отверстий под резьбы Мб...М10 в тонкостенных (2...4 мм) заготовках из углеродистых сталей.

Методы исследований. В настоящей диссертационной работе использованы методики экспериментальных исследований, включающие дюромегрмческий, макро- и микроструктурный анализ материала в области формирования отверстия. Микрогеометрия поверхности отверстия изучалась с помощью профилографа-профиломстра «Лбрис-ПМ7», а также проведены исследования режимов пластического сверления с помошью разработанных установки и методики.

Достоверность результатов. Достоверность i пложенных в работе результатов обеспечиваются: корректностью использования математического аппарата кинетической теории прочности; воспроизводимостью и объективностью данных экспериментальных исследовании. обусловленной использованием компьютеризированной измерительной системы для сбора и обработки данных о технологических режимах сверления (осевого перемещения, момента трения, осевой нагрузки, температуры в зоне обработки); статистической обработки результатов.

На защиту выносятся следующие результаты

1. Критерии и методика определения рациональных технологических режимов пластического сверления тонкостенных заготовок, обеспечивающие обработку без механического повреждения заготовки и инструмента.

2. Энергетическая модель пластического сверления, позволяющая оценивать производительность обработки в зависимости от выбранных технологических режимов, либо рассчитывать режимы сверления, обеспечивающие заданную производительность.

3. Экспериментальная установка и методика, позволяющая исследовать влияние технологических режимов пластического сверления на производительность обработки.

4. Технология изготовления перфораторов, обеспечивающая снижения отвода тепла из зоны обработки в шпиндель станка за счет использования теплоизолирующих керам ичееких покрьп ий.

5. Результаты исследований макро- и микрогеометрии, механических свойств и структуры материала заготовки в зоне пластического сверления, позволившие выявить механизм упрочнения материала в области обработки.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработана полуэмпирическая энергетическая модель, связывающая технологические режимы, геометрические характеристики и физико-механические свойства заготовки и инструмента с производительностью пластического сверления.

2. На основе анализа энергетической модели пластического сверления, а также численной модели процесса нагрева инструмента выявлены пути повышения производительности пластического сверления за счет снижения тсилоотвода из зоны обработки в шпиндель станка.

3. Разработаны критерии выбора рациональных режимов пластического сверления тонкостенных заготовок, обеспечивающие максимальную производительность и требуемое качество отверстий под резьбу.

Практическая значимость работы основывается на следующих результатах.

1. Определен),i рациональные режимы пластического сверления заготовок из листовой стати 10 толщиной 2...4 мм перфораторами диаметром от 5,4 до 10,9 мм под резьбы Мб...М10. Выявленные режимы внедрены в производство ЗАО «ГК Электрощит ТМ-Самара» и ОАО «Агрегат» и позволили повысить производительность сверления на станках с ЧПУ до 20°ó.

2. Исследованы показатели качества отверстий, получаемых методом пластического сверления, включая геометрические характеристики, механические свойства и структуру. Установлен механизм упрочнения материала в зоне формирования отверстия.

3. Разработана технология изготовления перфораторов с применением керамических теплоизолирующих покрытий, обеспечивающих снижение отвода тепла через инструмент в шпиндель станка,

4. Созданы исследовательский программно-аппаратурный комплекс и методика экспериментальных исследований параметров пластического сверления, позволившие выявить рациональные режимы пластического сверления тонкостенных заготовок из углеродистых сталей.

Реализация результатов. Разработанные рекомендации по выбору рациональных режимов сверления и перфораторы, изготовленные по новой технологии, внедрены в производственный процесс ЗАО «ГК Электрощит ТМ-Самара». ОАО «Агрегат» и ОАО «Самараволгомаш» при изготовлении корпусных элементов стальных конструкций. Результаты работы использованы в учебном процессе СамГТУ на лекционных, практических и лабораторных занятиях по курсам «Технология машиностроения», «Надежность узлов трения».

Апробация работы. Отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: XXIV Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2012» (Москва, ИМАШ РАН, 2012), получен диплом за наиболее интересное научное сообщение; II Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы машиностроения» (Самара, СНЦ РАН, 2010): Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» (Самара. СамГТУ, 2011).

Опытные образцы инновационных перфораторов выставлялись: на Санкт-Петербургской технической ярмарке, где получен диплом конкурса «Лучший инновационный проект и лучшая научно-техническая разработка года» за разработку «Высокоэффективные инновационные технологии изготовления конкурентоспособного металлообрабатывающего инструмента широкого назначения» в номинации «Лучший инновационный проект в области передовых технологий машиностроения и металлургии» (г. С.-Петербург, 2012г.); па Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2012 (Москва, ВВЦ. 2012г.). По итогам программы выставки НТТМ-2012 получена премия «Призер» по поддержке талантливой молодежи приоритетного национального проекта «Образование»; на VI Международном инновационном форуме (Самара, ВЦ «Экспо-Волга», 2013г.): в Конкурсе инновационных проектов научных коллективов образовательных и научных учреждений Самарской области (Самара, СМУС, 2012г.), получен диплом за высокие результаты в конкурсе.

Публикации. Материалы диссертации отражены в 9 опубликованных работах. В рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 5 статей. Получен патент №2492972 на инструмент для формирования отверстий методом пластического сверления.

Объем и структура работы. Диссертация написана на русском языке и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, включая 90 рису нков и 6 таблиц. Перечень литературы включает 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации. Изложено содержание работы по главам с кратким описанием полученных результатов.

В первой главе приведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников по проблемам применения в машиностроении технологической операции пластического сверления и инструмента для его реализации.

Большой вклад в исследование и совершенствование технологии и инструмента для пластического сверления внесли отечественные и зарубежные ученые: В. Геффен, А.И. Прагер, Л.Н. Дубровин, В. Стевенсон, А.Дж. Хугенбум, К.А. Стру, Б.Г. Андерссон, Б. Даннар, Д.С. Олсон, М. Махони, ЕЛО. Татаркин, В.В. Хоменко, О.В. Золотев, В.И. Гузеев, П.В. Шаламов, A.C. Худяков. С. Миллер и др.

Выявлены недостатки в технологии пластического сверления, связанные с возникновения больших осевых усилий в начальный момент внедрения перфоратора что может привести к деформации заготовок, а также к заклиниванию и поломке инструмента. Уменьшение осевых нагрузок приводит к существенному повышению длительности обработки, что также нецелесообразно. Поиск рациональных режимов пластического сверления усложняется отсутствием методов и технических средств для проведения научных исследований, касающихся технологии пластического сверления. Требуется разработка модели пластического сверления для расчета производительности данного технологического процесса с учетом распределения тепловых потоков в зоне обработки, на основе которой можно будет осуществить поиск путей повышения энергоэффективиости и производительности обработки. В заключение первой главы сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе разрабатываются критерии выбора технологических режимов пластического сверления и определены рациональные режимы сверления тонкостенных заготовок с помощью разработанной экспериментальной установки и методики, позволяющих исследовать технологические режимы пластического сверления с возможностью одновременной регистрации осевой нагрузки, момента трения, осевого перемещения и температуры в области деформации.

Разработаны следующие критерии выбора рациональных технологических режимов пластического сверления на станках с ЧПУ (рис. 3).

1) На всем протяжении пластического сверления осевая нагрузка Fn должна быть максимальной, но не превышающей предварительно определенной критической для данной детали величины F,', характеризующей ее механическую прочность. Это позволит обеспечить максимальную производительность сверления при отсутствии повреждения заготовки. Оценка /-;' должна быть проведена с учетом геометрии и свойств обрабатываемых деталей аналитическим или численным методом, включая МКЭ.

2) Длительность операции сверления не должна превышать некоторого максимального значения обусловленного требуемой производительностью технологии пластического сверления.

3) Температура локального разогрева Т обрабатываемого материала в области пластического сверления не должна превышать критическую температуру т\ выше которой в обрабатываемом материате могут начаться нежелательные фазовые

превращения. Также можно выделить область низких температур, не превышающих порогового значения 7'п„„, при которой необходимой степени термического размягчения материала не происходит и обработка материала методом пластического сверления становится невозможной.

Рис. 3. Критерии выбора рациональной осевой нагрузки при пластическом сверлении.

Пели одновременное выполнение всех условий невозможно (например, если осевые нагрузки, обеспечивающие Тт превышают Г,,'). в этом случае следует говорить о нерациональности применения метода пластического сверления в данной технологической операции.

Поскольку станки с ЧПУ не оснащены датчиками осевой нагрузки, обеспечение условия (!) на всем протяжении пластического сверления представляет собой сложную задачу. Еб решение требует выявления взаимосвязи между управляемыми технологическими режимами (скорость вращения и осевой подачи перфоратора) и неконтролируемой при пластическом сверлении на станке с ЧПУ силой прижатия инструмента к заготовке.

/■; = (П

Для этого был разработан эмпирический метод оценки рациональных режимов осевого перемещения перфоратора, при которых условие (1) при пластическом сверлении выполняется автоматически. В данном методе решается обратная задача, в которой сначала проводится эксперимент по пластическому сверлению образца из исследуемого материала заданной толщины с приложением к перфоратору статической нагрузки равной ГЛ" с одновременной регистрацией осевых перемещений перфоратора п ходе формирования отверстия. Затем производится анализ полученной эпюры осевого перемещения перфоратора, которая разбивается на несколько кусочно-линейных участков (рис. 4). Для каждого участка оценивается средняя скорость осевой подачи перфоратора, как тангенс утла наклона кривой «осевое перемещение - время». Полученные участки [1),;1н], [/?_-.,-//}| и соответствующие им значения осевой подачи I',, Г,. С, яшшотся искомыми данными для программирования станков с ЧПУ. Таким образом, воспроизведение на станке с ЧПУ данных режимов стабилизирует осевую нагрузку на перфораторе около требуемой величины Г,,""' , что позволяет обеспечить максимальную эффективность пластического сверления, обу-

словленную сочетанием высокой производительности и предотвращением повреждения заготовки.

Кусочно-линейная аппроксимация ^! Зкспеоимсшапьпая кривая

А; А

Рис. 4. Выбор рациональных режимов пластического сверления для станков с ЧГ1У

Вышеописанная методика реализуется на разработанной экспериментальной установке (рис, 5). позволяющей в ходе формирования отверстия при пластическом сверлении регистрировать (с интервалом сбора данных 0.001 с): 1) осевую нагрузку /•; с точностью ± 5 Н: 2) осевые перемещения А перфоратора с точностью ±0,! мм: 3) момент трения ,«„г между заготовкой и перфоратором с точностью 0.01 И м: 4) среднюю температуру заготовки Т в зоне обработки с точностью ±1 °С. Сбор данных осуществляется с помощью внешнего аналого-цифрового преобразователя Е 14-140 и программного обеспечения РоиегОгарИ (рис. 6). Постоянная осевая нагрузка на перфоратор обеспечивается рычажным механизмом с набором грузов.

- • М

Рис. 5. Измерительный комплекс для исследования режимов пластического сверления.

Осеки нзптга

ккдатор»

,— 1ЖШЮ!ЯЮ внедрен!« йвдектора

Образо1адие сгверсгия

Рис. 6. Пример режимов пластического сверления тонкостенной заготовки стали 10 толщиной 4 мм.

Исследование пластического сверления показало, что в общем случае на экспериментальных кривых Л = /(0 наблюдается наличие двух перегибов. Следовательно, при выполнении кусочно-линейной аппроксимации данной кривой при создании управляющей программы для станков с ЧГГУ достаточно ограничиться заданием трех участков с разными осевыми подачами, как показано на рис. 4. На первом и последнем участках наблюдается ускоренное осевое перемещение перфоратора. Вначале пластического сверления внедрение перфоратора происходит за счет пластического отгеснения материала заготовки под действием высоких удельных нагрузок в зоне контакта вершины конуса перфоратора и поверхностного слоя обрабатываемого материала (схожее с внедрением индептора при оценке твердости). Этот процесс происходит при любых температурах (атермический процесс). Последний участок обусловлен интенсификацией термического течения материала на заключительной стадии пластического сверления, когда толщина стенки детали, препятствующая внедрению перфоратора стремительно уменьшается и в отверстие входит калибрующая часть перфоратора.

В третьей главе разрабатывается энергетическая модель пластического сверления и предлагаются пути повышения производительности пластического сверления тонкостенных заготовок.

Поскольку при пластическом сверлении отверстие формируется за счет теплового размягчения материала заготовки, то производительность данной операции напрямую зависит от скорости нагрева металла в зоне обработки. Однако не вся тепловая энергия, генерируемая при трении перфоратора о заготовку, совершает полезную работу по формированию отверстия. Потери энергии (в основном) реализуются в трех направлениях: 1) по телу инструмента в шпиндель станка; 2) в объем заготовки; 3) на нагрев технологической смазочной жидкости (отвод тепла в воздух ввиду малой длительности сверления можно не учитывать). На основе анализа* баланса скоростей производства и рассеивания тепловой энергии разработана полуэмпирическая энергетическая модель пластического сверления, позволяющая выполнять расчет производительности сверления в зависимости от технологических параметров, физических свойств обрабатываемого материала и инструмента, диаметра отверстия и толщины заготовки.

где с, - удельная теплоемкость материала обрабатываемой заготовки, Дж/кг-К; />-плотность материала заготовки, кг/м3; АТ - разница между исходной температурой и температурой размягчения материала заготовки, К: / - коэффициент трения между перфоратором и заготовкой; Л,ш- коэффициент теплопроводности материала перфоратора (твердый сплав), Вт/м-К; аГ- диаметр инструмента, м; /•> осевая нагрузка на перфоратор, Н; п - частота вращения инструмента, мин"1;^^ градиент температуры по длине инструмента, К/м; Л - толщина заготовки, м; Л,- коэффициент тепло-

\т

проводности материала заготовки, Вт/м-К: —^ - градиент температуры заготовки в

зоне обработки, К/м; г„ - удельная теплота парообразования смазочной жидкости;

л, - дополнительное время, с (для рассмотренных условий /_,»2 с).

Из модели (2) можно вывести выражение для расчета осевой нагрузки на перфоратор, обеспечивающей требуемую производительность технологии пластического сверления

60000

сЛТр(/Ы2 а) , / ,з,лДГ„„ , ,, ДГ, ' ^^ ' + Д, „Ы-/41 - + Л.я/Й —- + Г_1 ¿а-г. л ;Д1„„ д,

/яФ/

(3)

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных (рис. 7 а. б) по оценке производительности пластического сверления при различных режимах, диаметрах отверстий и толщинах заготовки показало удовлетворительное совпадение.

в 1 а 3 * Я в Г Н » ГО II а и и 1в 0 1 3 3 < 5 в Т в 9 » И 1» 13 « «

Время сверления одного отверстия, с Время сверления одного огеерстия. с

а б

Рис. 7. Сопоставление расчетных (кривые) и экспериментальных (отрезки) данных по оценке времени формирования отверстия на пластине толщиной 2 мм (а) и

2,8 мм (б).

Расчеты по модели (2) показали, что только около трети производимого тепла идет на нагрев заготовки в зоне сверления, 35% расходуется на нагрев заготовки вне зоны обработки; 34% - на нагрев инструмента и шпинделя станка; 1% - на нагрев технологической смазочной жидкости. В соответствии с полученными результатами установлены пути повышения производительности пластического сверления, основанные на снижении теплоотвода из зоны обработки в шпиндель станка, а также на рациональном использовании отводимого в заготовку тепла.

Первый путь можно осуществить за счет применения теплоизолирующих материалов между рабочей поверхностью перфоратора и шпинделем станка. Разработаны два варианта технологии изготовления инструмента для пластического сверления тонкостенных заготовок, обеспечивающие снижение отвода тепла из зоны обработки в шпиндель станка за счет использования теплоизолирующих керамических покрытий, наносимых детонационным методом. В первом варианте керамическое покрытие формирует подслой на рабочих поверхностях перфоратора, во втором - на хвостовике перфоратора. Проведены исследования влияния режимов напыления и составов покрытия (на основе оксида алюминия) на его структуру и механические свойства Установлено, что максимальная стойкость покрытия к изнашиванию достигается при выборе коэффициента заполнения ствола детонирующей газовой сме-

сыо не менее 60%. Положительное влияние теплоизолирующего подслоя на тепловые потоки, формирующиеся при пластическом сверлении, было подтверждено на конечно-элементной модели, разработанной в среде При использовании

перфораторов с теплоизолирующим слоем достигается повышение производительности сверления за счет снижения теплоотвода из зоны обработки в шпиндель станка, снижение энергоемкости обработки и устранение необходимости в специальном охладителе.

Второй путь можно использовать в случае необходимости формирования нескольких близко расположенных отверстий на одной заготовке. В этом случае имеется возможность повышения производительности сверления каждого последующего отверстия за счет нагрева заготовки после формирования предыдущего отверстия Теоретическое и экспериментальное исследование влияния предварительного нагрева заготовки на производительность пластического сверления показало (рис. 8). что оно растет с увеличением диаметра формируемого отверстия и толщины заготовки.

б

—{»«54

й 160 | '40

Я 520

I™

£. «о ¡*

го

С*54

(М»2

Промавдитетыесп. пластического «жргамю

Проимедител ыясть ллюппккого сведшая

Впок I ¿3.04,20X3 2» г: _ ^.0-1.2013 г ЙПОК .1: г?.?М.20

»- й *)-

т. 8 ]я 1

п - а а

/ \ |

N.. а з

¡ф: / ¿Г И ж

о о

т. 9 : ч>

?■]»

Ч - 3 : а ■ V/

Т-20"С

т

__:

г чоо°с

Т~/50°С

До; аре мл. В

Рис. 8. Влияние предварительного нагрева заготовки на производительность пластического сверления для различных диаметров отверстий н толщины заготовки 2 мм (а) и 2.9 мм (б) (осевая нагрузка 1750II). Экспериментальные исследования (в) производительности последовательного сверления трех отверстий диаметром 5,4 мм на одной заготовке толщиной 2,9 мм с различной начальной температурой заготовки.

В четвертой главе приведены результаты исследования качества получаемых отверстий и состояния материала заготовки в зоне обработки.

Показано, что пластическое сверление позволяет получать отверстия с шероховатостью Яа«0.4...0.8 мкм, что в 3...5 раз меньше, чем при формировании отверстий при помощи сверл. Квалитет получаемых отверстий соответствует значению Причем указанная точность формируется только в области действия калибрующей части инструмента. В зоне контакта обрабатываемого материала с расширяющей частью перфоратора шероховатость является значительной Я^Юмкм, что обусловлено интенсивным пластическим течением материала под перфоратором.

Исследование макроструктуры показало (рис. 9), что в процессе пластического сверления формируется два потока течения металла - восходящий и нисходящий. Восходящий поток формирует верхний наплыв, который после прижатия торцующей поверхности перфоратора начинает по краям заворачиваться наружу и внутрь. Нисходящий поток после вытягивания формирует под отверстием вытянутый участок в форме втулки. При этом достаточно четко выделяется граница между дефор-

Рис. 9. Линии течения металла Рис. 10. Зона деформации материала в при пластическом сверлении области пластического сверления

(продольный шлиф). (поперечный шлиф).

Исследование мнкротвердости материала в области формирования отверстия, показало, что в месте концентрации линий течения (в нижней и верхних частях отверстия) наблюдается значительный наклеп материала, приводящий к увеличению твердости от 2270 МПа до 3130 МПа (рис. 11). В центральной зоне деформируемой области наклеп практически не наблюдается. Упрочнение материала в области формирования «втулки» позволяет получать качественные резьбовые соединения с повышенным моментом затяжки.

Эксперименты показали заметное снижение значении энергии активации пластической деформации (рис. 12) и структурно-чувствительного коэффициента в области развитого пластического течения, что свидетельствует о локальном повышении пластичности материала в этой области. Проведенные электронномикроскопи-ческие исследования подтвердили существенное изменение микроструктуры материала в деформированной области (рис. 13). а именно выявлено образование пер-

литной структуры (при изначально ферритной структуре), объясняющей упрочнение материала в зоне обработки.

Рис. 1!. Изменение микротвердости Ни [кгс/мм2] заготовки толщиной 4 мм из стали 10 при пластическом сверлении.

Рис. 12. Изменение энергии активации пластической деформации и0 [кДж/моль] заготовки толщиной 4 мм из стали 10

а б

Рис. 13. Микроструктура металла на поперечном шлифе образца стали 10 вне зоны обработки (а) и в области пластического сверления (б).

В пятой главе приведены результаты оценки эффективности предложенных технических решений по совершенствованию технологии пластического сверления.

Использование новых перфораторов в ЗАО «ГК Электрощит ТМ-Самора» позволило повысить производительность технологии пластического сверления на 20% при отсутствии повреждения заготовки н инструмента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны и экспериментально обоснованы критерии и методика выбора рациональных технологических режимов пластического сверления отверстий под резьбы в тонкостенных заготовках на станках с ЧПУ.

2. Разработана энергетическая модель, позволяющая рассчитать производительность пластического сверления с учетом технологических режимов обработки, физико-механических и геометрических характеристик обрабатываемого материала и инструмента. Анализ модели показал пути повышения производительно-

сти пластического сверления за счет снижения отвода тепла в шпиндель станка и рационального использования тепла, отводимого в заготовку.

3. Определены рациональные технологические режимы пластического сверления отверстий под резьбы Мб...MIO в тонкостенных заготовках из стали 10 толщиной от 2-х до 4-х мм перфораторами диаметрами от 5,4 мм до 10,9 мм.

4. Разработана новая технология изготовления перфораторов с использованием теплоизолирующих керамических покрытий, обеспечивающих снижение отвода тепла из зоны обработки через инструмент в шпиндель станка (патент №2492972).

5. Изучены показатели качества отверстий, полученных методом пластического сверления. Установлено, что шероховатость отверстий составляет Ra«0,4...0,8 мкм, квалитет получаемых отверстий Js8. Показано, что упрочнение обусловлено фазовым превращением, в результате которого образуется перлитная структура. Показана кинетика формирования геометрии отверстия при сверлении.

6. Разработаны экспериментальная установка и методика, позволяющие осуществлять выбор рациональных технологических режимов пластического сверления с возможностью компьютерной регистрации в режиме реального времени осевой нагрузки, момента трения, осевого перемещения перфоратора и температуры разогрева заготовки в зоне обработки.

7. Рациональные технологические режимы пластического сверления отверстий в тонкостенных заготовках из углеродистой стали внедрены в ЗАО «ГК Электрощит TM-Самара» и ОАО «Агрегат» и позволили повысить производительность обработки на стайках с ЧПУ до 20%.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Ненашев М.В., Деморецкий Д.А., Ганигин С.Ю., Нечаев И.В., Мурзин А.Ю., Ибатуллин И.Д., Усачев В.В., Бакулин М.А. Технология и инструмент для пластического формирования отверстий [Текст]// Известия Самарского научного центра РАН. - Самара: СНЦ РАН. Т.13. №1 (2) (39) - 2011. -С.429-432.

2. Ненашев М.В., Деморецкий Д.А., Ганигин С.Ю., Нечаев И.В., Мурзин А.10., Чеботаев A.A., Галлямов А.Р., Кобякина O.A., Усачев В.В., Неяглова P.P., Бе-локоровкин С.А., Ибатуллин И.Д. Технология и свойства наноструктурирован-ных детонационных покрытий [Текст]// Известия Самарского научного центра РАН, - Самара: СПИ РАН. Т.13. №1 (2) (39) -2011. - С.390-393.

3. Ненашев М.В., Ганигин С.Ю., Журавлев А.Н., Ибатуллин И.Д., Карякин Д.Ю., Усачев В.В., Дьяконов A.C.. Паклев В.Р., Рахимова A.B. Применение детонационных покрытий в технологии машиностроения [Текст]// Известия Самарского научного центра РАН, - Самара: СНЦ РАН. Т.13. №4 (3) - 2011. -С.830-834.

4. Ненашев М.В., Утянкин A.B., Журавлев А.Н., Ибатуллин И.Д., Усачев В.В., Карякин Д.Ю., Дьяконов A.C. Применение детонационных покрытий для соз-

\\

дания нового металлообрабатывающего инструмента [Текст]// Вестник СГАУ, №3 (27). - Самара: СГАУ, 2011 .-с.204-210.

Публикации в других изданиях

5. Усачев В.В. Технология термопластического сверления [Текст] // Труды XXIV Междун. инноващюно-ориентированной конф. Молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы машиноведения» (МИКМУС-20]'2) -М- Изд-во ИМАШ РАН, 2012.-е. 181-184.

6. Усачев В.В. Совершенствование инструмента для пластического сверления [Текст] // Труды XXIV Междун. инновационо-ориентированной конф. Молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы машиноведения» (МИКМУС-2012). -М: Изд-во ИМАШ РАН, 2012.-С.177-180.

7. Ненашев М.В., Ибатуллин И.Д., Галлямов А.Р., Усачев В.В. Перспективная технология термопластического формирования отверстий [Текст]// Журнал «Крепеж, клеи, инструмент и...», №2 (40). - С.-Петербург, 2012.-C.46-50.

8. Патент №2492972 В23В51/08 Инструмент для формирования отверстий методом пластического сверления/ Ненашев М.В., Калашников В.В., Деморецкий Д.А., Носов Н.В., Ибатуллин И.Д., Журавлев А.Н., Мурзин А.Н., Кургузов Ю.И., Ганигии С.Ю., Кобякина O.A., Рогожин П.В., Чеботаев A.A., Шмыров С.С., Усачев В.В. Бюл. №26, опубл. 20.09.13г.

Подписано в печать__2015г. Заказ №_.

Тираж 100 экз., объем 2,0 п.л.

__Огпечагано на ризографе.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной полиграфии. 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244