автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной точности маложестких деталей методом автоматического управления процессом виброобработки

На правахрукописи

Бойченко Олег Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТОЧНОСТИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВИБРООБРАБОТКИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидататехническихнаук

Тольятти - 2005

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Тольяттинского государственного университета

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Драчев О.И.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Вороненко В.П.

- кандидат технических наук, доцент Малышев В.И.

Ведущее предприятие ОАО «Азотреммаш»

Защита диссертации состоится «И» апреля 2005 года

в_часов на заседании диссертационного совета

К 212.142.01 при Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу: 101472, ГСП, Москва, Вад-ковский пер. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «Станкин».

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

Автореферат разослан «14» марта 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Тарарин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы: В современном машиностроении большое внимание уделяется технологии изготовления ответственных маложестких деталей (МЖД) типа «вал». Многие современные машины, агрегаты и приборы предусматривают использование в своем составе таких деталей, которые зачастую лимитируют межремонтные, межсервисные и ресурсные интервалы изделий. В настоящее время машиностроительное производство в России наращивает объем выпуска МЖД, что обусловлено совершенствованием прочностных расчетов, оптимизацией форм и конструкций деталей, снижением металлоемкости изделий и все возрастающей потребностью в прецизионных машинах.

Изготовление МЖД с равномерным и минимальным уровнем остаточных напряжений, характеризуемых высокой эксплуатационной точностью, является актуальной задачей. Виброобработка является признанным методом искусственного старения, отличающимся значительно меньшими по сравнению с термическими операциями энергозатратами. Автоматизация виброобработки позволяет использовать этот процесс в современной технологии изготовления МЖД наряду с автоматизированными операциями механической обработки, которые в настоящее время доведены до практической реализации. Весомый научный вклад в развитие теории создания автоматизированных систем внесли труды Соломенцева Ю.М., Митрофанова В.Г., Базрова Б.М., Схиртладзе А.Г., Драчева О.И. и др.

Известные методы диагностики и контроля остаточных напряжений в МЖД не дают возможности промышленного применения и заставляют обращаться к разработке новых принципов и средств косвенного контроля напряженно-деформированного состояния. Данные выполненных в лаборатории ТГУ «Виброобработка» экспериментальных исследований показали, что существуют в недостаточной степени изученные ди-

агностические признаки, характеризующие напряженно - деформированное состояние материала.

В связи со всем вышеизложенным, разработка новых методов и создание автоматической системы управления остаточными напряжениями, направленной на повышение эксплуатационной точности многочисленной группы деталей малой жесткости является актуальной научной задачей.

Целью работы является повышение эксплуатационной точности маложестких осесимметричных деталей, путем автоматического управления напряженно-деформированным состоянием материала в ходе технологического процесса виброобработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Построить математическую модель процесса виброобработки маложестких деталей, на базе разработанных расчетных схем, провести аналитическое исследование влияния неравномерности остаточных напряжений на стабильность размеров МЖД.

2. Аналитически разработать систему автоматического управления процессом виброобработки и исследовать влияние изгибных, крутильных и продольных колебаний на уровень остаточных напряжений и геометрическую точность МЖД.

3. Разработать, изготовить и внедрить установку, оснащенную автоматической системой управления процессом виброобработки.

4. Экспериментально изучить влияние режимов виброобработки и различных форм колебаний МЖД на уровень и неравномерность остаточных напряжений по всей длине.

Научная новизна работы: 1. Разработан новый способ оценки напряженно-деформированного состояния материала при виброобработке маложесткой детали по всей ее длине с использованием в качестве диагностического признака изме-

нения значений собственных резонансных частот на каждой из форм колебаний в процессе воздействия.

2. Решена задача оптимального приложения вибрационного воздействия для создания равномерного и минимального уровня остаточных напряжений по всей длине МЖД.

3. Разработаны новые методы управления процессом виброобработки и диагностки напряженно-деформированного состояния материала при виброобработке, учитывающие изменения значений собственных частот на первых трех формах колебаний, предусматривающие коррекцию расположения относительно детали точек приложения воздействия и опор, а также учитывающие изменения температурного поля детали в процессе вибровоздействия.

4. Разработанная САУ позволяет диагностировать процесс виброобработки МЖД, снижать и выравнивать значения остаточных напряжений во всех сечениях детали.

Методы исследования. При теоретическом анализе в работе использовались: методы теории автоматического управления, теории вязкоуп-ругости, теории колебаний стержней, теории внутреннего трения, а также методы математического моделирования на ЭВМ.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны и внедрены методики и алгоритмы оценки напряженно - деформированного состояния материала, с использованием анализатора мод колебаний и перемещаемых относительно детали опор и вибровозбудителя.

2. Разработана и внедрена оригинальная установка с САУ для виброобработки МЖД. САУ характеризуется промышленной применимостью.

3. Разработан технологический процесс виброобработки для использования в цеховых условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Республиканском научно-техническом семинаре (г. Тольятти, 1998 г.) и ]У-ой международной научно-технической конференции по бесконтактным методам контроля (г. Самара, 1999 г.), научно-технических конференциях в Тольяттинском Государственном Университете (г. Тольятти, 1998-2004 гг.). Разработанная система автоматического управления удостоена двух золотых медалей Всероссийского Выставочного Центра на форуме «Промэкспо 2003» и на Ш-м Московском Международном Салоне, 2004 г.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены на ОАО «Азотреммаш» (г. Тольятти). Ряд теоретических положений и экспериментальных исследований использованы в учебном процессе по специальностям 12.01.00,21.02.00.

Публикации. По теме исследований опубликовано 9 печатных работ, из которых 7 содержат основные материалы диссертационной работы. НИС ТГУ зарегистрирован научный отчет о хоздоговорной работе под № 287ТГУ, выполненный под руководством и при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и 5 приложений, изложена на 160 страницах, включая 24 рисунка, 2 таблицы, списка использованной литературы из 99 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и излагается перечень вопросов, исследованию которых посвящена диссертационная работа.

Первая глава. Анализ современного состояния технологических процессов виброобработки деталей малой жесткости.

В ней представлен обзор и рассмотрены причины возникновения в МЖД остаточных напряжений на всех стадиях технологического про-

цесса, основные существующие в настоящий момент методы искусственного старения, способы виброобработки и диагностики напряженно - деформированного состояния материала.

Показано, что остаточные напряжения, приводящие к потере эксплуатационной точности, возникают в основном при холодной правке, механической обработке и на термических операциях. Причинами образования этих напряжений являются неоднородность пластической деформации и температурного поля, фазовые превращения и особенности геометрической конфигурации. При воздействии внешних нагрузок в процессе эксплуатации остаточные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешних сил, могут превысить предел упругости, что приводит к неравномерной пластической деформации, короблению, скручиванию и т.д.

Для релаксации применяются в основном термические методы, такие как отпуск и отжиг, которые характеризуются высокими энергетическими и временными затратами. Значительный объем существующих исследований посвящен способам виброобработки сварных конструкций и базовых корпусных деталей машиностроительного оборудования.

Существующие направления исследований и разработок не оценивают в полной мере всего комплекса информации об изменении напряженно - деформированного состоянии материала в процессе виброобработки и не позволяют решить задачу создания эффективных автоматических систем управления, имеющих возможность применения при виброобработке МЖД. До настоящего момента для рассматриваемых деталей не выработаны обоснованные диагностические признаки стабильности и минимальности остаточных напряжений при виброобработке. Анализ показал, что САУ должна иметь возможность анализа входных сигналов и выработки управляющих воздействий в реальном масштабе времени объекта, с учетом проработки всех продольных и поперечных сечений детали, что достигается изменением относительно-

го расположения детали и опор, а также изменением точек приложения вибрационного воздействия.

Вторая глава. Разработка математической модели процесса виброобработки маложесткой детали.

Составлены расчетные схемы виброобработки. Доказано, что для реализации резонансных методов (при виброобработке с наложением колебаний на одной из собственных форм колебаний детали) приемлема виброобработка изгибными колебаниями, для рассматриваемых деталей малой жесткости с использованием электромеханических виброво-зудителей, при этом возможно достижение первых трех собственных форм колебаний детали.

В общем виде линейное уравнение неупругости, связывающее напряжение и деформацию, записано в следующем виде:

Проведенные экспериментальные исследования по виброобработке МЖД типа валов, изготавливаемых из нержавеющих сталей позволили построить динамические характеристики объекта управления. На Рис. 1 представлены участки экспериментально полученных АЧХ до и после виброобработки, соответствующие третьей собственной форме колебаний вала длиной 5600 мм и диаметром 50 мм.

Рассмотрены случаи виброобработки с использованием одновременно действующих на МЖД продольных и крутильных колебаний (комплексных колебаний). Результаты расчетов и полученные экспериментальные данные показали, что в данном случае возникают значительные технические сложности при изготовлении промышленно применимых вибровозбудителей, причем последние не обладают необходимыми мощностными характеристиками. Таким образом учитывалось

действие изгибных колебаний.

Данные экспериментальных исследований показали, что уменьшение значений частот для первой, второй и третьей собственных форм при виброобработке происходит в пределах 2,2 - 2,4 Гц. Это связано, в первую очередь, с изменением значения модуля упругости материала в ходе процессов релаксации остаточных напряжений.

Рис. 1 Участок АЧХ вала По экспериментально снятым переходным процессам с исследуемых материалов были разработаны механические и математические модели. В таблице 2 приведены модели, наиболее адекватно описывающие процессы, происходящие с материалом в ходе виброобработки.

При исследовании процесса виброобработки были выявлены главные диагностические признаки, по которым оценивался уровень остаточных напряжений первого рода, это температура нагрева детали при вибродеформации и значения собственных частот на первых трех фор-

мах изгибных колебаний детали. Энергетически заготовка МЖД не может колебаться выше третьей формы с заданными амплитудой и уровнем вибродеформаций. В Табл. 1 рассмотрены механические модели «п»-го элемента заготовки

Механические модели и их математическое описание

Таблица1

Передаточная функция объекта управления определена в виде:

кш ' 1С'р ' 1с ' р

Кб(р) = ■

(2)

Т-р +1

где - коэффициенты пропорциональности , характе-

ризующие дифференцирующие звенья, входящие в структуру объекта управления.

Для определения точек приложения опор в процессе виброобработки построена динамическая модель подсистемы «МЖД - опоры» с распределенными по длине инерционными и жесткостными параметрами. Она идентифицирована частотным методом. Для МЖД-стержня, имеющего прямолинейную ось и незакрученное поперечное сечение составлена исходная система дифференциальных уравнений

Для случая поперечных колебаний, после ряда преобразований, полагая, что реакция основания представлена лишь изотропными силами упругости и демпфирования, колебания-перемещения центра изгиба

поперечного сечения в направлении соответствующей координатной оси отыскивается из уравнения:

d2v д2 Г 3V ( 83v д\ )

dt2 дх2 д2 J dx2dt д2 .

L ' \ х /

= pFco2+qy(x,t).

Здесь р - плотность материала; F - площадь поперечного сечения; / - коэффициент, учитывающий силы внутреннего трения в материале;

- круговая частота колебаний; - коэффициент внешнего демпфирования; <Jy - внешняя нагрузка.

При периодических колебаниях все деформационные и силовые факторы будут изменяться по гармоническому закону. В частности, перемещение поперечного сечения представлено в виде:

(4)

При решении задач колебаний для реальных систем переходим от действительной системы с распределенными параметрами к некоторой эквивалентной дискретной (разбитой на участки) системе. Для нее получены системы матричных рекуррентных соотношений, связывающих деформированное состояние в г-ми (i + 1) -м расчетных узлах:

(3)

vy{x\t) = vy (;r)cos£y/ + v;(*)

Sin eût ■

где А и В - переходные матрицы участка и узла; - вектор нагрузки.

Используя метод начальных параметров (МНП), решение получено в виде

где - вектор параметров в г - м узле; а0 - вектор начальных параметров для начального торца стержня; - квадратная матрица,

столбцами которой являются 16 нормальных решений; - вектор частного решения, определяемый внешней нагрузкой. По описанному алгоритму, использующему МНП в матричной форме, составлены программа вычислений и выполнена серия расчетов на ЭВМ. Установлено, что для рассматриваемых МЖД в диапазоне частот до 120 Гц возбуждаются колебания от первой до третьей собственной формы; для процесса виброобработки с перемещаемыми опорами и точкой приложения нагрузки, в зависимости от частоты возбуждаются различные формы колебаний. Их наибольшая амплитуда существенно зависит от положения вибровозбудителя и опор. Наибольшие амплитуды колебаний расположены не в областях возбуждения, а в зонах пучностей соответствующих форм колебаний. Следовательно, перемещение зон пучности вдоль детали, с размещением опор в зонах узлов и при перемещении зон пучностей с переустановкой опор в любые из двух зон узлов является важной задачей при реализации условий равномерной проработки всего объема материала.

Третья глава. Теория повышения эксплуатационной точности готовой детали путем автоматического управления.

В ней представлены материалы, связанные с разработкой автоматической системы управления процессом виброобработки осесимметрич-ных МЖД.

Передаточные функции звеньев определены в виде:

(7)

На Рис. 2 представлена структурная схема САУ виброобработки. Предложено реализовывать управление по изменению в процессе виброобработки собственной резонансной частоты детали, а также использование диагностического контура для контроля изменения температуры детали в процессе виброобработки. Это позволяет повысить эффективность САУ.

Рис. 2. Структурная схема САУ виброобработки Тогда передаточная функция САУ определится следующим образом:

Кр

7> +1

где

Экспериментально доказано, что снижение потребляемой приводом мощности при виброобработке МЖД на одной из собственных форм, как показатель происходящих в материале релаксационных процессов не сопровождается требуемой величиной снижения частоты, определенной экспериментально в диапазоне 2,4 - 2,6 Гц, и в данном случае «частотный» контур, работоспособность которого доказана серией экспериментов, позволяет наиболее корректно управлять напряженно-деформированным состоянием материала.

На Рис. 3 представлены АФЧХ. 1 - для вала, виброобрабаты-ваемого без САУ, 2 - для вала, обработанного с использованием САУ.

Рис. 3. Экспериментально полученные АФЧХ

Анализ годографов показывает, что значение модуля упругости при использовании САУ уменьшается на 8 - 10%, что подтверждает предложенную математическую модель процесса виброобработки.

В работе доказана целесообразность принятия модального управления процессом виброобработки, т.е. управляющее воздействие прикладывается в зонах и узлах пучности соответствующих форм колебаний с целью создания равномерного напряженного состояния материала. Доказаны управляемость и устойчивость предложенной автоматической системы.

Четвертая глава. Экспериментальные исследования точности и размерной стабильности изготовления длинномерной детали с применением технологии виброобработки.

В заключительной главе представлены результаты исследования системы автоматического управления параметрами технологического воздействия при виброобработке.

Функциональная схема САУ виброобработки представлена на Рис. 4. После установки в вертикальном или горизонтальном положении детали в перемещаемых относительно последней опорах и размещения на детали вибровозбудителя и датчика, начинают процесс виброобработки с наложением на деталь механических колебаний, при этом опоры размещают в зонах узлов, и при переходе к обработке на другой собственной форме колебаний их переустанавливают в любые из двух зон узлов, а вибровозбудитель размещают в зоне пучности соответствующих форм колебаний. В процессе работы САУ определяют резонансные частоты изгибных колебаний периодическим приложением импульсных воздействий и проводят, как правило, на третьей форме изгибных колебаний обработку до достижения некоторого минимального и постоянного значения соответствующей собственной частоты во времени. На втором этапе производят на этой измененной резонансной частоте дополнительную виброобработку, при скорректированном значении час-

тоты возбуждения и при необходимости обработки детали на другой или других собственных формах колебаний, повторяют указанный цикл с периодической корректировкой резонансных частот до тех пор, пока не будет достигнут заданный или требуемый для данной детали минимальный и равномерный уровень остаточных напряжений.

Рис. 4. САУ виброобработки маложестких деталей

Для точного определения численных значений остаточных напряжений и влияния на их значения и распределения по длине детали была спроектирована и изготовлена установка для электрохимической обработки МЖД длиной до 6000 мм и диаметром до 80 мм. Для замеров коробления валов была спроектирована и изготовлена оригинальная установка, использующая связанные с ЭВМ индуктивные датчики. Результаты замеров остаточных напряжений валов, виброобрабатываемых с

использованием САУ, показали выравнивание по длине детали остаточных напряжений и снижение их значений в 3-5 раз по сравнению с валами, виброобрабатываемыми без использования системы. Величина последующего эксплуатационного коробления рассматриваемых деталей при использовании САУ снизилась в 2 - 4 раза по сравнению с деталями, проходившими термические операции искусственного старения.

Предложена, спроектирована и изготовлена конструкция дебаланс-ного вибровозбудителя, используемого в САУ, обладающая повышенным ресурсом за счет разгрузки от вибровоздействий основных элементов электродвигателя; данная конструкция обладает также технологичностью и простотой регулировки требуемой величины дебаланса.

В работе приведены математические расчеты, выполненные с использованием макроскопической теории внутреннего трения, приведены результаты замеров показателей точности деталей, обработанных с использованием САУ. Разработана и изготовлена экспериментальная конструкция вибровозбудителя, позволяющего одновременно воздействовать на деталь комплексными колебаниями.

На основании выполненных экспериментальных исследований, которые показали значительное изменение температурного поля детали при действии знакопеременных циклических нагрузок, и с учетом использования в САУ температурного диагностического контура предложен способ контроля процесса виброобработки МЖД, который включает измерение действующих значений параметров процесса, причем о качестве процесса виброобработки судят по изменению величины параметра, характеризующего косвенно распределение остаточных напряжений в материале детали, в качестве которого используют температурное поле детали, а процесс виброобработки завершают при достижении постоянных во времени значений температуры по всей длине детали, близких к значениям, измеряемым в пучностях собственных форм детали. Изменение и перераспределение температурного поля детали в дан-

ном случае предложено регистрировать бесконтактным методом, с применением тепловизора.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Общим итогом работы является создание САУ для минимизации и выравнивания остаточных напряжений по всем сечениям МЖД в процессе виброобработки. На основе исследований, представленных в диссертационной работе, получены следующие практические и научные результаты:

1. Построена математическая модель и получены аналитические зависимости влияния виброобработки на релаксацию остаточных напряжений МЖД.

2. Разработаны новые способы контроля напряженно-деформированного состояния материала в процессе воздействия знакопеременных циклических нагрузок с использованием данных об изменении значений собственных частот и распределении температурного поля детали.

3. Разработан алгоритм управления в процессе обработки расположением опор и точкой приложения внешнего вибрационного воздействия. Аналитически разработана САУ виброобработки и исследовано ее влияние на релаксацию остаточных напряжений.

4. Создана установка для автоматического управления процессом виброобработки, применение которой позволяет значительно повысить эксплуатационную точность маложестких длинномерных деталей. Данная установка внедрена при виброобработке МЖД, вводимой в технологию изготовления взамен дорогостоящих термических операций искусственного старения. Виброобработка с использованием САУ проводится на ОАО «Азотреммаш» после черновых токарных операций механической обработки.

5. Результаты работы внедрены на предприятии ОАО «Азотреммаш» и в учебный процесс в ТГУ.

Внедрение разработанной САУ позволило решить задачу повышения эксплуатационной точности маложестких деталей за счет общей и равномерной стабилизации и минимизации остаточных напряжений, полученных изделием на всех стадиях технологического процесса.

Основные положения диссертации отражены в публикациях:

1. Бойченко О.В., Гуляев В.А. Вопросы создания систем автоматического управления на базе ЭВМ, Тольятти, 1998г., Межвузовский сборник научных трудов, с. 123-128.

2. Бойченко О.В., Драчев О.И. Система автоматического управления виброобработкой. В кн. Сборник научных трудов. Наука. Техника. Образование. Тольятти и регионы., Тольятти, 1999г., с. 65-66.

3. Бойченко О.В., Бобровский А.В. Исследование повышения точности механической обработки и эксплуатационной точности деталей типа вал. Наука. Техника. Образование. Тольятти и волжского региона, Тольятти, 2001г., с. 72-75.

4. Бойченко О.В., Расторгуев Д.А. Способ возмущения комплексных колебаний и устройство для его осуществления. В кн. Сборник научных трудов. Проблемы современного машиностроения., Тольятти, 2001г., с. 86-88.

5. Бойченко О.В., Расторгуев Д.А. Виброобработка с наложением комплексных колебаний. В кн. Сборник научных трудов. Проблемы современного машиностроения., Тольятти, 2001 г., с. 89-91.

6. Бойченко О.В. Виброобработка с наложением комплексных колебаний в технологическом процессе изготовления маложесткого вала. Тезисы всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции автомобилестроения в России», г. Тольятти, 2003 г.

7. Бойченко О.В., Расторгуев Д.А. Устройство для виброобработки глубоких отверстий. Патент РФ № 2169058, выдан 20 июня 2001 г.

Бойченко Олег Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ТОЧНОСТИ МАЛОЖЕСТКИХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ВИБРООБРАБОТКИ

Подписано в печать 12.02.05г., Формат 60x84, 1/163аказ № 3031 Тираж 100

экз., Отпечатано: 445020, Тольятти, ул. Белорусская, 6, «Медиа центр»

V ? ; 307

13 МДй 20В5

Основные обозначения и сокращения

Введение

1. Анализ современного состояния технологических процессов виброобработки деталей малой жесткости

1.1. Анализ существующих технологических процессов виброобра'ботки

1.2 . Остаточные напряжения, полученные маложесткими деталями в результате технологии изготовления

1.3 . Технологические процессы, применяемые для стабилизации геометрической формы маложестких заготовок

1.4.Анализ современных методов и средств виброобработки2 б

Цель и задачи работы

2. Разработка математических моделей процессов виброобработки маложестких деталей

2.1. Расчетные схемы колебаний маложестких валов при виброобработке

2.2. Разработка математической модели виброобработки как объекта управления

2.3. Создание динамической модели процесса виброобработки маложесткой детали

Выводы по главе

3. Теория повышения эксплуатационной точности готовой детали путем автоматического управления процессом виброобработкиб

3.1. Теоретическая разработка системы автоматического управления

3.2. Теоретические исследования процессов релаксации остаточных напряжений при виброобработке

3.3. Оптимальное (по энергетическому минимуму) управление объектами класса маложесткая деталь типа тел вращения с распределенными параметрами

Выводы по главе

4. Экспериментальные исследования точности и размерной стабильности изготовления длинномерной детали с применением технологии виброобработки

4 .1. Специальная установка, оснащённая системой автоматического управления

4.2. Вибровозбудитель для возмущения изгибных колебаний при виброобработке маложестких деталей

4 . 3.Экспериментальная установка с использованием температурного диагностического контура для контроля процесса виброобработки

4.4. Экспериментальное исследование влияния САУ на спектры собственных колебаний МЖД

4.5. Экспериментальные исследования влияния САУ на эксплуатационную точность виброобрабатываемых деталей и на уровень остаточных напряжений в материале деталей

Выводы по главе

В современном машиностроении большое внимание уделяется технологии изготовления ответственных маложестких деталей (МЖД) типа «вал». Многие современные машины, агрегаты и приборы предусматривают использование, в своем составе таких деталей. Такие детали зачастую лимитируют межремонтные, межсервисные и ресурсные интервалы изделий. В настоящее время машиностроительное производство в России наращивает объем выпуска МЖД, что обусловлено совершенствованием прочностных расчетов, оптимизацией форм и конструкций деталей, снижением металлоемкости изделий и все возрастающей потребностью в прецизионных машинах.

Особенности геометрии и конструктивных параметров МЖД создают серьезные технологические трудности в производстве. Можно выделить следующие причины этого: а) значительный уровень остаточных напряжений, формируемых на стадии заготовительной технологии и термических операциях; б) влияние технологической наследственности на возможное эксплуатационное коробление детали; в) значительные упругие и пластические деформации на всех стадиях механической обработки, сборки и эксплуатации деталей; г) малая термоустойчивость деталей. Действие перечисленных факторов при изготовлении МЖД приводит к значительным погрешностям формы и размеров деталей, поверхностным дефектам, снижению производительности из-за ограничения режимов резания и, в конечном счете, к снижению эксплуатационной надежности МЖД.

Анализ технологии изготовления МЖД в условиях единичного и мелкосерийного производств показал, что практикуется ввод операций ручной доводки и применение нескольких дорогостоящих термических искусственностарильных операций для обеспечения заданных параметров детали. Такой путь существенно увеличивает трудоемкость обработки и не гарантирует требуемое качество изделий. Поэтому совершенствование операций искусственностарильной группы в технологии изготовления МЖД является важной задачей, повышающей эффективность производства и качество продукции машиностроения.

Повышение эффективности и производительности технологии виброобработки (ВИО), которая относится к группе искусственностарильных операций способствует улучшению эксплуатационных свойств МЖД, частичному или полному устранению пригоночных работ, возможности интенсификации режимов резания на последующих механических операциях. Это, в свою очередь, снижает трудоемкость изготовления деталей и сборки машин, увеличивает их надежность.

Достижения российских и зарубежных ученых [62, 63, бб] в вопросах повышения производительности, эффективности и качества виброобработки, а также результаты промышленного их использования показывают, что основными направлениями интенсификации технологии ВИО являются: создание прогрессивных конструкций механических, электромеханических, электрических и ультразвуковых вибровозбудителей, характеризуемых широким диапазоном создаваемых частот и усилий, технологичностью сопряжения с обрабатываемыми деталями, относительно низкой себестоимостью; создание новых способов ВИО/ таких, как способы воздействия на МЖД знакопеременными крутящим моментом и продольной силой; создание систем автоматического управления (САУ) процессами ВИО, что позволяет создавать в детали равномерное напряженное состояние требуемого уровня, что в конечном итоге повышает производительность, эффективность процесса и качество получаемых деталей.

Значительный вклад внесли ученые - авторы публикаций [27, 41, 43, 58]. Ими предложен ряд способов ВИО МЖД и разработаны конструкции устройств для реализации этих способов. Однако, проблема создания оптимального технологического процесса ВИО при обработке маложестких деталей с отношением длин к поперечным сечениям больше десяти не решена в полной мере. В частности, применяемые вибровозбудители характеризуются малым ресурсом и низкой надежностью работы, а большинство предлагаемых способов не дают удовлетворительных решений для случаев обработки маложестких ступенчатых валов из коррозионостойких материалов. Можно сказать и об отсутствии предложений на современном рынке технологий систем автоматического управления ВИО, позволяющих в полной мере использовать все преимущества этого метода искусственного старения.

Работа состоит из четырех глав, выводов и приложения.

В первой главе дан обзор существующих технологических методов ВИО деталей малой жесткости, представлено обоснование необходимости совершенствования технологии ввиду значительного уровня остаточных напряжений МЖД, рассмотрены основные технологические приемы искусственного старения, проведен анализ существующих методов и средств ВИО.

Во второй главе разработаны математические модели процессов ВИО, составлены расчетные схемы процесса, описаны колебательные системы при виброобработке.

В третьей главе приведены теоретические разработки системы автоматического управления применительно к технологии ВИО, изучено влияние управления на релаксационные процессы, происходящие в материале.

В четвертой главе даны экспериментальные исследования процессов ВИО, рассмотрена экспериментальная установка, ее функциональные схемы и алгоритм работы с применением автоматической системы управления процессом, показаны результаты . экспериментальных и промышленных исследований.

В конце диссертационной работы сформированы общие выводы и намечены пути для дальнейших исследований и разработок в области технологии виброобработки МЖД.

В приложении приведены методики проведения эксперимента, описания разработанных контрольных устройств и акты внедрения.

Основные результаты, полученные в ходе диссертационной работы, приводятся ниже:

1. Построена математическая модель процесса виброобработки маложестких деталей.

2.Проведено аналитическое исследование влияния неравномерности остаточных напряжений на стабильность размеров МЖД.

3. Аналитически разработана система автоматического управления процессом виброобработки.

4. Исследовано влияние изгибных, крутильных и продольных колебаний на уровень остаточных напряжений и геометрическую точность МЖД.

5. Разработана, изготовлена и внедрена установка, оснащенная автоматической системой управления процессом виброобработки'.

6. Обоснованы и положены в основу работы САУ новые принципы формирования напряженно - деформированного состояния материала в процессе вибровоздействия.

7.Экспериментально изучено влияние режимов виброобработки и различных форм колебаний МЖД на уровень и неравномерность остаточных напряжений по всей длине детали.

8. Решена задача расстановки в процессе виброобработки опор и вибровозбудителя при колебаниях на одной из собственных форм изгибных колебаний.

9. Предложена промышленно применимая конструкция дебалансного вибровозбудителя, обладающая технологичностью регулировок и повышенным по сравнению с аналогами ресурсом.

10. Предложен новый способ виброобработки маложестких длинномерных ' деталей с воздействием комплексных колебаний. Для реализации способа предложена оригинальная конструкция кулачкового вибровозбудителя.

11. Проведено количественное сравнение показателей эксплуатационной точности маложестких деталей, которое свидетельствует об эффективности предложенных подходов, моделей и алгоритмов и перспективности внедрения предлагаемой системы на отечественных предприятиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ананьев И.В. Справочник по расчету собственных колебаний упругих систем. М.-JI. :ГИТТЛ, 1946.

2. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин.-М.:Машиностроение, 1978 184 стр.

3. Беляев Г.С., Табачников П.И. Технология производства валов. М. - Л.:Машгиз, 1961 - 250 стр.

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

5. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков. М. : Машиностроение, 1978. - 216 с.

6. Банах Д.Я., Перминов М.Д. Исследование динамических свойств упругих систем машин и конструкций с помощью амплитудно фазовых характеристик. /Динамика машин. - М.:1969.-432 с.

7. Баранов В.Н., Захаров О.Е. Электрогидравлические и гидравлические вибрационные механизмы. Машиностроение, 1966.-326 с.

8. Башнин Ю. А., Ушаков Б. К., Секей А. Г. Технология термической обработки стали. М. Металлургия, 198 6. -424 с.

9. Беляев Г.С., Табачников П.Н. Технология производства валов. М.: Машгиз, 1961.-250 с.

10. Биргер И. А. Остаточные напряжения. Машгиз, 1963.-232 с.

11. Бернст Р., Бемер 3., Гюнтер Д. Бернштейн М. JI. (ред.). Технология термической обработки стали. Лейпциг, 1976. Пер. с нем. М. Металлургия, 1981. 608 с.

12. Бленд Д. Р. Теория линейной вязкоупругости. М. Мир, 1965.-137 с.

13. Безъязычный В. Ф., Тихомирова И. О. Расчёт остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при механической обработке с учётом структурно-фазовых превращений // Вестник машиностроения. 1993, № 5 - 6. -с. 22-24.

14. Бобровский А. В., Драчёв О. И. Повышение точности обработки длинномерных маложёстких деталей путём автоматического регулирования. //Юбилейная научно-техническая конференция. Тольятти, 1997. с. 59-60.

15. Бобровский А. В. Повышение точности обработки и стабильности форм маложёстких длинномерных деталей путём автоматического управления // Диссертация на соискание учёной степени к. т. н. Тольятти, 1999.

16. Бурцев В. М., Васильев А. С., Деев О. М и др. Технология машиностроения: в 2. т. Т. 2/ под ред. Г. Н. Мельникова. -"М. Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. -640 с.

17. Боди Б. и Уэйнер Д. Теория температурных напряжений. М. :Мир, 1964.-212 с.

18. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М.:Наука, 1969, 408 с.

19. Борздыка A.M., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.:Металлургия, 1972.-304 с.

20. Вейнер Д., Ландау Г. Температурные напряжения в упругопластических телах. /Пластичность и термопластичность.-Библ. сб. Механика.-М.:ИЛ, 1962.-89 с.

21. Вибрации в технике/Под. Ред. В. В. Болотина. М.:Машиностроение, т.1 1978-352 с.

22. Вибрации в технике/Под. Ред. Ф.М. Диментберга и К.С. Колесникова. М.:Машиностроение, т.З - 1980544 с.

23. Вибрации в технике/Под. Ред. К.В. Фролова. М.:Машиностроение, т.6 1981-456 с.

24. Вивденко Ю.Н. Равнодействующая технологических остаточных напряжений в поверхностном слое и ее применение для оценки влияния условий обработки на коробление деталей /Оптимизация технологических процессов по критериям.-М.:Наука. 1987.-115 с.

25. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. -М.:Наука,1967-213с.

26. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. ч. Ш.-Л.: Энергия,1970.-328с.

27. Гечузин Я.Е. Диффузионная зона. М. : Наука, 1975.-344с.

28. Гликман Л.А. Методы определения остаточных напряжений /Труды Ленинградского инженерно технического института. Издательство Ленинградского университета. Вып. 30./ Л., 1960.-58-98с.

29. Гойтвуд Б.Е. температурные напряжения. М.ИЛ. 1959.-220с

30. Гофман О., Зако Г. Введение в теорию пластичности для инженеров. М.:Машгиз 1960.-496с., ил.

31. Гринченко Г.И. Упрочнение деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М. Машиностроение, 1971 - 120 стр.

32. Гуляев' А.П. Термическая обработка стали., -М. : Машгиз 1960.-496с., ил.

33. Гуров А.Ф. Изгибные колебания деталей и узлов авиационных газотурбинных двигателей.-М.: Оборониздат, 1959.-86с.

34. Давиденков И.А., Чучман Т.Н. Влияние температуры на диаграммы сжатия металлов.// Физика металлов и металловедение, 1960 т9, вып. 5-741-750.

35. Давиденков И.А. Об остаточных напряжениях // Заводская лаборатория. М.: 1935. т4 -№6 688-698с.

36. Дольский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. -М. : Машиностроение, 1975.-23с.

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

38. Драчев О.И., Равва Ж.С. Адаптивное управление колебаниями при продольном точении // Информационное обеспечение, адаптация, динамика и прочность систем -74.-Куйбышев,197 5. 16с.

39. Драчев О.И., Равва Ж.С., Скиданенко В.И. Управление уровнем относительных колебаний и процессов резания // Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок. -Куйбышев, 1975. -вып.б -53-62с.

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

41. Драчев О.И. Автоматическая система управления обработки маложестких деталей // Алгоритмы и системы управления промышленными установками в машиностроении. -Куйбышев КПтИ, 1986. -181-196с.

42. Драчёв О. И. Повышение точности обработки на токарных станках путём автоматического управления относительными колебаниями инструмент-заготовка и положением оси детали // Диссертация на соискание учёной степени к. т. н. Тольятти, 1975.

43. Драчев О. И., Иванов О. И. Новые способы обработки маложёстких осесимметричных деталей // Сборник трудов Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсификация технологических процессов механической обработки. Ленинград, 1986. - с. 123 - 124.

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

45. Драчев О. И., Иванов О. И. Определение динамических характеристик процесса обработки нежестких деталей, рассматриваемых как объекты с распределенными параметрами. • Куйбышев: Динамика станков: Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф., 1984. - с. 62-63.

46. Драчев О. И., Иванов О. И. Некоторые вопросы расчетов динамических характеристик процесса механической обработки маложестких деталей на станках с ЧПУ. Куйбышев: Динамика станков с ЧПУ, 198 6. - с. 100 - 108.

47. Егоров К. В. Основы теории автоматического регулирования. М. Энергия, 1967. - 648 с.

48. Иванов.О. И. Повышение точности и производительности обработки маложёстких деталей типа тел вращения путём автоматического управления упругими перемещениями технологической системы // Диссертация на соискание учёной степени к. т. н. Тольятти, 1990

49. Ильин JT.H. Основы учения о пластической деформации. М.: Машиностроение, 1980.- 150с.

50. Кравченко Б. А., Папшев Д. Д., Колесников Б. И., Моренков Н. И. Повышение выносливости и надёжности деталей машин и механизмов. Куйбышевское книжное издательство, 1966. - 223 с.

51. Куркин С. А., Смирнов А. И., Певзнер Л. М. Влияние деформационного старения на поведение высокопрочных сталей при двухосном растяжении// Известия вузов. Машиностроение. 1969. - №2. - с. 51-57.

52. Кайбышев О. А. Пластичность и сверхпластичность металлов. -М. : Металлургия, 1975. -280с.

53. Кельзон, Журавлев Ю.Н., Январов Н.В. Расчет и конструирование роторных машин. М.: Машиностроение 1977. -279с.

54. Колмогоров В.Л. Пластичность и разрушение. -/ М.: Металлургия 1977. -217с.

55. Коцубинский О.Ю. Стабилизация размеров чугунных отливок. -Москва, Машиностроение. 1974.-213 с.

56. Кузовкин Н.Т. Модальное управление и наблюдающие устройства. -М.: Машиностроение, 1976.-120 с.

57. Маталин А.А. Технология механической обработки. -Л.: Машиностроение, 1977. -464с.

58. Мошин Е.Н. исследование пластического изгиба // Труды ЦНИИТМАШ, -М.: Машгиз, 1954. Кн.62-65с.

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

60. Отчет инв. М3984 698. Сжатие внутренних напряжений и стабилизация формы сварных и литейных деталей вибрационной обработкой. Куйбышев 1980.

61. Пастернак Н.А. Исследование холодной и горячей правки металла. М.:Машгиз, 1953 - 98 стр.

62. Пановко Н.Г. Введение и теория механических колебаний. -М.: Наука, 1971. -310с.

63. Перепятько В.Н., Ковтун А.А., Рогов Ю.Н. Исследование остаточных напряжений при изгибе: /гибка металлов/ // изв. ВУЗов. Черная металлургия. -1987. №2 61 -63с.

64. Писаренко Г. С. Колебания механических систем с учетом несовершенной упругости материала. -Киев.: АН УССР, 1970. -379с.

65. Писаренко Г.С., Яковлев А.Г., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1975 - 7 03 стр.

66. Писаренко B.C., Вержбинская П.И. Снижение остаточных напряжений вибрационной обработкой, -Технология, организация и механизация сварочного производства НИИ-ФОРМТЯЖМАШ, 1972. -379с.

67. Поздеев А.А., Няшин Ю.Н. Трусов П.В. Остаточные напряжения, теория и приложения. -М. : Наукова думка, 1982. -291с.

68. Прохаская и др. Понижение напряжений без термообработки. Пер. с венгерского №Ц 53000, М. : Всесоюзный центр переводов. 1975. -161с.

69. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 2 / под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Панов-ко. -М.: Машиностроение 1968. -4 64с.

70. Новик А., Берри Б. Релаксационные явления в кристаллах. Пер. С англ. Под ред. Э. М. Надгорного, Я. М. Сойфера. М., Атомиздат, 1975. 472 с.

71. Релаксационные явления в твердых телах. Труды 4-ой всесоюзной конференции / воронежский политехнический институт. -М.: Металлургия, 1968. -694с.

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

73. Сонин А.З., Сонин A.M., Правка листового и сортового металла. М. :Металлургия, 1961 - 124 стр.

74. Сопротивление материалов. Под ред. Писаренко, 4-е издание переработанное, Киев, Вища школа, 1979-194 стр.

75. Скороходов А.Н., Зудов Е.Г., Киричков А.А., Пет-черенко Ю.П. Остаточные напряжения в профилях и способы их снижения. // Под ред. Полухина П.И. -М. : Металлургия, 1985. -185с.

76. Справочник машиностроителя. Под ред. Сашеля Э.А., т. 3, М. :Машиностроение, 1964.

77. Технологические остаточные напряжения/ Под ред. А. В. Подзея. М.: Машиностроение, 1973, -216 с.

78. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. -М.: Наука, 1967. 444 с.

79. Тимошенко С. П. Сопротивление металлов. Т.2, ОТИЗ 1946, 456 с.

80. Троицкий В. А. Оптимальные процессы колебаний механических систем. JI. : Машиностроение, 1976. - 248 с.

81. Уменьшение механических напряжений и стабилизации металла с помощью вибрации. Пер. с англ. №Ц-3354 0. -М.: Всесоюзный центр переводов, 1974. 425 с.

82. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. Изд. физико-математической литературы, М.: 1963. 539 с.

83. Филлипов А. П. Колебание деформируемых систем.-М.: Машиностроение, 1970. 736 с.

84. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Часть 1. 3- Изд. перераб. и допл. - М. : Машиностроение 1974 - 472 с.

85. Хозирук Г. П. Влияние остаточных напряжений в заготовке на погрешность формы маложестких деталей типа пластин// Совершен.технолог. процессов машиностроения. Иркутск, 1987. - 137-140 с.

86. Ящерицын П. И., Рыжов Э. В., Аверченков В. И. Технологическая наследственность в машиностроении. -М.: Наука и техника, 1977.-170 с.

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

88. Авторское свидетельство СССР № А.С №3532245; МКИ В23Р25/00, В23К5/213, 9/235 В.Г. Горенко, П.В. Русаков, Л.П. Пилипчик, Н.Б. Закута, Способ виброобработки детали, 1987.

89. Авторское свидетельство СССр №134 4 4 55

90. МКИ B21D3/16, В23Р25/00 О.И. Драчев, В.В. Акимов и А.В. Клементьев- Способ стабилизации формы осесимметричных деталей, 1987.

91. Israel A., Benedek J. Instability parameter for machined parts // Frans ASME. Journal of Engineering for Industry, 1983, № 3. p. 133 - 136.

92. Ding Jianguo. Optimization of turning conditions for slender work pieces // Acta Armamentary, 1990, № 2. p. 92 - 96.

93. Katz R., Lee C. W., Ulsoy A. G., Scott R. A. Turning of slender work pieces: modeling and experiments // Mechanical Systems and Signal Process. -1989, № 2. p. - 195 - 205.

94. Grasserbauer M., Wegscheider W. Progress in Materils Analysis. Wien, New York: Springer - Verlag, 1985. - 380 p.

95. Bowden F. R., Tabor D. The area of contact between stationary and between moving surfaces // Project of Royal Society, Ser. A, 1969, №3.

96. Komkov V. The optimal control of vibrating thin plates. SIAM. J. on Control, 1970, №2. p. 273 - 304.

97. Roven H. J., Nes E. Cyclic deformation of ferritic steel. Stress-strain response and structure evolution // Acta Metallurgica et Materialia, 1991, №8.p. 1719 1733.