автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение точности изготовления нежестких деталей путем снижения излишних напряжений импульсными электрическими разрядами

» *

. КШВСЬКШ ОРДЕНА ЛЕН1НА П0Л1ТЕХН1ЧНИЙ 1НСТИТУТ

На правах рукопису УДК 621.75:75 9.3:621.9 КОБЦЕВА 1рина Володимир]Вна

П1ДБЩЕННЯ Т0ЧН0СТ1 БИГОТОВДЕННЯ НЕЖОРСТКИХ ДЕТАЛЕЙ ШЛЯХОМ ЗНИЖЕННЯ ЗАЛШКОШХ НАПРУ Г 1МПУЛЬСНИШ ЕЛЕК-ТРИЧНИМИ РОЗРЯДАМИ.

спешалыпсть: 05. 02. 08. -технолог¡я машинобудупання

АВТОРЕФЕРАТ дисертацп на здобуття вченого ступеня кандидата технзчних наук

Краматорськ - 1993

у :

~ 2 ' » э . ■

I

Работу виконано у в1ддь~1. автомат1защ1 виробничих про- . ! цессзв Краматорського науково-доол^дного 1 проектко-техко- | лопчяого институту машинобудування (ШО НДШГМаш). 1

Науковий кер^вяик - доктор техшчних наук, професор Гавриш А. Е

ОфШйк! опоненти - доктор техшчних наук, професор Зекк1 к А. С. , к. т. к. , доцент Кухт1К Т.К

Бедуче пгдприемство - Аоендне об'сдканкя

Новокоаматооеькия

Захист в1дбудеться /5 1993р. ка зааданш

еп'ец1ал13ованкб1 ради К 068_1^К_1_5_в Ки1вськсму пол5техничному ■¡кституп за адресов:

252056, м. КИ1В-56, проспект Перемоги,37. 3 дисертащвю можна озкайомитися з бабл^отеш институту.

Автореферат роз 1 слано ' ' ^1993р.

Вчений секретар спешая13овано1 ради, д. т. к. , доцент

К К Ромаяенко

, • • И — и

АН0ТАЦ1Я.

Дисертащйна робота присвячена проблем! шдвищення точности виготовлення деталей типу вал!в шляхом зниження залишкових напрут 1мпульсяими електричними розрядами.

Ыетою дисертащйно! роботи о теоретичне обгрунтування эас-тосування импульсного струму високо! щ)Льност] для змепсення технолг!чних залишкових напруг та створення доел1 дно-промислово-го обладнання для эняття равня залишкових напруг, П1двищзння точности виготовлення деталей 1 шдвищення ефективност! обробки вироб!в.

У робот! виршено так! завдання:

- теоретично доел!дженн! процеси напружено-деформованого стану деталей, оброблених !з эастосуванням електроимпульсного методу;

- проверено теоретичну модель, що описуе процеси эм!цнен-ня-знезмтнення метал1 в 2 эастосовано ефект електро!мпульсно! стабшзац!! залишкових напруг при обробщ деталей типу вал!в;

- визначено вэаемозв'язок внутршн!х залишкових напруг ! параметра импульсного електричного струму, що накладуеться на де-формовану деталь;

- эапропоновано методику випаровування, а також алгоритм 1 прог-раму оптим!эацп режимов процесу !мпульсного зняття технолог! чних залишкових напруг в деталях типу вал!в;

- розроблено ! виготовлено ун!версальний комплекс для зняття технолопчних залишкових напруг змпульсним струмом.

Автор захищае:

- анал!тичну модель, що описуе модель залежност! техноло'пчних залишкових напруг у заготовц! в!д параметр!в Iмпульсного струму;

- анал1тичну модель, що описуе картину напруг у заготовщ при вплив! на не! импульсного струму;

- досл!дно-промисловий прилад 133Н-1 для эняття технолог!чних залишкових напруг у заготовках !з конструкшйних сталей г чаву-

на;

- рекомендад]2 э промислового застосування електро!мпульсног методу стабшзаш э внутр)шн!х залишкових напруг.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальнасть. Вивчення розповсюдженних технолог!чних про дес)В обробки метал!в р^эанням показала, шр режими обробки можн вдосконалити завдяки шднишгнни пластичности заготовки т зм!цненнл Г). Пропускания через заготовку ¡мпульсного струму ви соко] щльноет! приводить до шдвищення пластичност! т инемишенню мат^мала. практично не тдвишуючи гЧ Температуру ОдпаК ьараз В1дсутш екслериментальн! доел1д*»ння . й анал^тичн описи процесу знемщнення, що в1 дбуваеться при використанн! цьо го ефекту в технолог!1 машинобудування. Зовс!м немае будь-яки: даних про можлив!сть застосування !мпульсного струму в операция: технологи машинобудування по усуненню чи регулюванню равня тех-нолопчних залишкових напруг. Тому досл^дження процесс!в, щ в!дбуваюгься при деформацп деталей шд час накладання импульсного струму, а також розробка рекомендаций по режимах обробю ¡мпульсним струмом, с актуальним завданням.

Загальна методика доел!дження. В робот 1 використано мето; доел!дження, що включае теоретичний анал!з залежност! технолог! чних залишкових напруг в^д технолог!чних факторов эаготовю та материалу, а також параметров ¡мпульсного струму, експеримен-тальн! доел)дження, що грунтуються на моделюванш процес! стаб!л!зац!'1 залишкових напруг шляхом пропускания через заготовку импульсного струму. Одержан! в результат! теоретичних 1 екс-периментальних досл!джень дан! пров1рено й застосовано в технолог! чних процесах обробки заготовок.

. Наукова новизна. Наукову новизну роботи становить побудовг

сшеиитично1 модел!. щр описуе эалежнють параметр!в импульсного струму В1д параметр!в заготовки, описания картини напрут при вплив1 на. шддану деформаци заготовку ¡мпульсного електричного струму, роэробщ методики об робки заготовок для стабШэацП в них технолог1чних эалишкових напрут.

Практична ц! ннють. В результат! проведенних теоретичних та експериментальних досл!джень виготовлено доел1дно промисловий прилад 1мпульсного эняття эалишкових напрут (133Н-1). Цей прилад моле бути пристосований л!н!ю та операщю стай!л!зацп эалишкових напрут !мпульсним струмом, мохе введено зал!нником пром1ж операщй у технолопчних процесах. Унаверсальнють приладу дозволяв ваотосувати на заводах як единичного, так 1 Расового та сер!йного виробництва виеокоточних деталей.

Реалоащя результат!в роботи. Доел!дно-промисловий пристр!й 133Н-1 пройшов випробування на АО НКЫЗ ! випроводжений у вироб-ництво на НВ1П "ЕЛСПмаш". Р!чний економ!чний ефект в!д упровод-ження комплексу 133Н-1 становить 415 тис. карбованцев.

Апробац!я роботи. Основн! положения ! результати роботи доведено 1 обговорено на науково-техн!чних конференщях: "Нов! технолопчни процеси в механ!чн!й обробш" (м. Оде-са.1992р.)."Прогресивн1 технолог!чн! методи оэдоблюваль-но-эм!цнюйочих,в!бростаб!л!эуючих та !нших ресурсозбер!гаючих технолог1й"(м. Краматорськ,1991 р.). "Як!сть 1 над!йн!сть техно-лопчних систем механообробки'Чм. Краматорськ, 1991р.) та на 8ас!данн! секц!! вчено'1 ради в!дд!лення засоб!в автоматики ! прилад1в контролю НПО НППТНаш(м. Краматорськ, 1991р.).

Публ!каци. За матер!алами дисертац!1 одержано авторське св1доцтво на спос!б обробки нежорстких деталей ) опубЛ1ковано 5 друкованих праць.

Структура та обсяг роботи. Дисертащйна робота обсягом /67 сторонок складаеться ¡з вступу, п'яти розд!лтв, основних вис-

ноьк1в та результатов роботи, викладених на /УГ стор!нках машинописного тексту, вмлцуе 56 малюнк!в. // таблиць. &6 най-менувань Л!тературних джерел, ' 6 додатглв.

У встуш обгрунтовано актуальность теми, викладено дан! про основних д0сл1дник!в, про апробацП роботи, практичну Щнн!сть ! впровадження результат)в роботи.

У першому розд!Л1 подано аналоз сучасного стану питания, на основ! огляду в 1тчизняних 1 заруб!жних досл!джень, по досягненню технолог!чних можливоетей виготовлення деталей. Показано, що для велико\ групп деталей проблему >х коробления В!д зняття припуску не вирпнено. тому що ф13Ико-механ!чн! процеси, що виникли при г.^Р'-ЛЦ! , НевраХОВаНО 3 техшчними ВИМОГИ, ЩОДО ТОЧНОСТ1 виготовлення деталей.

У цьому розд!Л1 визначено мету та завдання досл!джень.

У другому роздш викладено загальну методику проведения доело джень. Наведено дан! про обладнання, що використовусться, заеоби та методи вимор)в залишкових напруг 1 дислокац1йних про-цесчв при обробт, а також застосованих матер!ал! в.

У третьому розд!Л! виконано: тепретичн! дослодження процееу коробления деталей при мехашчшй обрг.бщ заетосуванням теоро! теплопроводности та упругост!, вплив омпульеов електричного струму на пластичну деформацию деталей 1 одержано аналотично! залежност!, що дозволяв виконати ро.чрахунки величини щ^льност! струму в!д параметр!в заготовки.

У четвертому роэдол! виконано експериментально дослодження впливу ¡мпульо>в струму виеокоо иильносто на технолог¡чно залиш-коы напруги ¡3 застосуванням тензометричного та рентгено-отрук-турного аналоэу. Виявляе безпосередной вплив на точнють таких технолог!чних факторов, як припуск, що зшмаеться, та дисло-катйно процеси, що водбуваються в заготовц!.

У п'ятому розд!Л1 подано дан! про реал!зашю методу елект-

родмпульсного зняття (усунення) залишкових напруг прокатних вл^в з доеладженням ] розробкою нового технологачного процесу, в яко-му викориетовусться пристрай для електро)мпульсного эняття за-лишковоа напруги 133Н-1. В цьому роздал) представлено прин-ципаальну схему пристрою та алгоритм 11 роботи, а токож розроб-лено рекомендаша по оптим1зацп режимав обробки заготовок для забезпечення задано! точноет! обробки 1 зниження труден еткост! виготовлення деталей.

ОСНОВНИЙ ЗМ1СТ РОБОТИ.

Важке машинобудування характер!зуеться ушкальним устатку-ванням та шдвищеними вилигами до точноста виготовлення деталей. В процесс виготовлення деталей не уникнути явищ коробления, причиной яких е нестаб!льн)сть залишкових напруг у заготовках, ревень яких призводить до порушення точкост) обробки в хода всього технолог¡чного процесу. Для зниження запишкових напруг у виробництв! застосовують така методи:

природне й штучне старания, в)брообробка, етатичне й дмнамачне навантаження. Переятчен! методи використовуються до механ^чноа* обробки, або шелл чорнового етапу, занадто трудомастк1 1 вима-гають шдвищення енерговитрат 1 додаткових далянок для стабшзаца г залишкових напруг. Останшм часом знаходять свое застосування нетрадицайш методи стабалазаща залишкових напруг так! як ультрозвукова обробка, електромагнатна, електромеханачна та ¡ншь Щ методи враховують напругу стану заготовок а найбальш ефективна. Однак при ах досладженна необхад.чо розглядати напру-жений стан заготовки по всьому технолог ачному циклу а а прояву.

Заготовки деталей машин, виготовлених ¡з стал!, ч^вуиу та кольорових металав завжди мають внутрнаш »<ш{>,1»{,.?;:!

можуть бути температурними, уяильненими, фазовими, В1Д Х1М1Чжн

неоднор]дност1 матер!алу. Заготовки складной конф!гурацп мают зьлишков1 напруги, эосереджен! як по перерезу ст1нок, так 1 ми окремими делянками. Величини цих напрут так1, що IX загальнг векторна сума дор1внюе нулю: сума розтягнутих напрут дор1внкх сум1 зжимаючих напруг, тобто, система залишкових напруг. що с ] заготовках у будь-який момент часу перебувае в р!вноваженом] станк __ . _

Ж 6т -О 1

де (5ь - сума залишкових внутрзпшх напруг в 1-той ст1нц1;

П - к1льк1сть станок у заготовШ. При порушенн! Ц1С1 умови не виключаеться виникненн: надм1рно1 енергп, щр зд1йснюе роботу по приведению еистеми реш ткових напруг-у р!вноваженний стан. Робота, виконана невр1внова женими внутршними силами, обумовлясться визначеним перем1щення системи. Надм1рна енерпя, спрямована на поверення еистеми решт кових напруг до вр!вноваженого стешу, перерозпод1дяеться по всь ому перер1зу деталь

Механична обробка заготовок, пов'язана з усуненням припуск! в, порушуе р1вновагу решткових напруг, оск!льки в усунени; шарах металу мали мюце внутршн! решгков! напруги, як1 бул; пов'язан! з напругами в оброблешй частин1 деталь Ягадо припус-тити, що пюля усунення припуску на оброблену поверхню будь-яки> способом внесено напругу, р!вн1 за величиною, знаку напругам, щс "уходить" з припуском, то шсля цього вр1вноваження рештково: напруги буде поновлено й коробления детали буде мшмальним. Ведомо, шр рештков) напруги в заготовщ можуть бути визначеш. зг формулою:

р 8Е_с[/1 2 <Э0- з е2е

.При дьому сшвв! дношення для прогину зразка набувас вигляд

-9Г _ <Эо 3

I = 8 ЕМ

Де " напруги в центральна чаетин! деталь ИПа-,

£ - довжина детал!, м; Д - величина уеуваного слою, м;

- половина товщиня детал!, м; Е - модуль упругости материалу, Н/м;2 £ - величина прогину обробльованоГ деталь 3 цього виразу видно, шр стр5ла прогину оброблтваного виро-бу эб!льшуеться, пропорщйно товщшп энятого слою металу 1 вик-ривлення виробу прямо пропорщйно .эалишковим напругам 1 обернено пропорщйно його шрсткоеть

3 практично! точки эору для роэрохункзв бэльш допустима формула Ганкула С. П. для прогину та решткових напруг.

к оС е

2- К Ы0 ю3 А _ А- Е 5

е2 л • 1 о3

де £ - модуль пружност! матер]алу; ОЛ - половина товщини деталь, К - коефащент пропорщйность, £ - довжина детал!; А - коефщюнт теплопроводность,

- рзэниця температур; бС - коефащент теплов^ддачи. Затальнов!домо, що деформацш метал!чних материал: г. '«."чк-теризуеться двома процесами, що вздбуваютьея одкочасно: эм>цнен-ия та знем1цнення (выпуску). Швидюеть цих процесс в та ¡х ¡нтенсивнють визначаеться . наявнютю енерг» 1 активацп в ма-терзаль Енерг)Я активацп ¿нтенсифшуе процес перемщення вихо-ду на поверхню зерен та зародження нових диелокащй- Природа

- ю*.

цнч' енергП може бути найр)зноман)тн 1 шою. Оеобливий 1нтерес иикликае той вид енергп, який, впливаючи на дислокац1йну структуру матер¡алу, не нагр)вае його. До таких ВИД1В енергп акти-кшп в вноситься ¡мпульений електричний струм високо! Щ1ль-коом. Передача енергп йде шляхом черенковського випром^нюван-ня. а з допомогою електричного струму можна збудити силу, що приекорюе руийчн! дислокацп, в1д чого з'являсться можливють керувати рухом дислокащй за допомогою немехан!чних сил. Для практичного эастосування зручна формула;

б = 0.25/* в $ 6

де ^/к магнитна постзйна;

^ - площа поперечного перерзэу заготовки;

- Щ1ЛЬН1СТЬ струму.

Прир1внюючи Л1В1 частини р)вняння (5) й (б) для визначення внутршн!х решткових напрут та виробивши математичн1 перетворен-ня. одержуемо эалежнють, в яко) можна В)днайти оценку щльност! струму для кожно') окремо') заготовки, щоб стаб^лзэувати в Н)й ьнутр1шн! рештков! напруги:

I = \| 4Е к аЫо[о___' в I _К_о1.

Ле2^ 5 0,25-10 ^£2.5

и _ 4Щ^А—

г\ -

7

0,25 ЮЭЛ/

3 наведено-! эaлeжíiocтi видно, що для забеспечення стаб^ль-ноотч решткових напруг пюля механично! обробки необх1дний вплив на деталь ¡мпульсного струму э певною Щ1льн1стю, що врахувала б Фыику - мехатчний стан детали та конструктивн 1 параметри.

Експериментальн! досл;дження подтвердили дощльнють вико-рим;ання дано1 методики призначення Щ1ЛЬНост1 ¡мпульсного струму з урахуванням напруженого стану заготовки з метою шдвищення г> .мноет! обробки. . ' '

-н-

- Изменение плотности дислокаций по глубине валка.

1 - поел» шлидзобания

2 - после ОСОН (¡'750) Ъ - после ОСОН (¿=500)

Н - после ОСОН (и 250) .

' рис. 1

Влияние технологических условий точения валка на изменение плотности дислокаций на обработанной поверхности.

Для в^шення оавданпя ¡мпульоного в п лив у на заготовку роз-(ч.г.лена доел 1 дно-промисловий прилад 13ЭН-1, алгоритм та схема яко1! представлено на мал. 1,2,3.

Для регулювання параметров струму в широких д1алавонах (от щ] льност) струму 250А/мм2 до 750А/Мприлад 133Н-1 установано компьютером, щр дозволяе оптим^зувати процес стабшзшш решт-коьих напруг, у эалежност! В1Д частоти 1мпульо1в, тривапог>тI, кIлькост) пачок 1мпульс1в та 1нших технолопчних фактор1в процесс Ров роб лена програма оптим1эацп режим1в 1мпульоного вняття технолопчних репггкових напруг знайшла свое практична застосу-нгжня при обробт валк1в холодно1 прокатки, при цьому еалропоно-нано такий маршрут 1х виготовлення: чорновий стан обробки;

- )мпульсна стаб1л1зац1я решткових напруг з використанням133Н-1;

- чорновий стан обробки;

- оэдоблюваний стан обробки.

Проведено досл1д*ення фактично'1 точност! виробу робочих щ«жатних валкГв э використанням ¡мпульсного методу стаб1л1эацп решткових напруг показали зниження решткових деформащй на чор-нг.ьому стаю обробки на 30-40%.

0СН0ВН1 ВМСЭКНШ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОВОТИ.

1. Анал1Э стану проблеми зниження решткових напруг 1 коробления деталей при 1х виготовленн! показав, що застосовуються т|млиц1йн) методи стаб!Л1эаЦ11, ефектившеть використання яких ни.-Ч'Ка, оск1Льки п!сля 1х упровадження в1дбувасться подальше ко-1-облення детал! впродовж усього циклу 1х виготовлення, щр значно нижу с необх!дну точн1сть обробки. Для зменьшення технолопчних Р-шткових напруг розроблено основн! принципи *х стабшзацП шмульгним отрумом високо! щ!льност!, основан! на дислокац!йн1й

-iз-

Алгоритм системы уп^арления

/

/

Схема установки ИССН-1 ../.¿-вал часть)

0

0-

Рис

{

Я

Г1

г^Л

Н

4

-0

Заряд

■УУ

О

7 6 5 4 Л 4 У 0

йвроит

Разряд

£ I

теорп пластично! деформацП, що мало шдтверджено в теоретичних дослздженнях.

2. Одержана залежнзсть решткових напрут взд величини импульсного струму та бисх!дного стану заготовки. Еказака залежнзсть враховуз физику - хзмзчний стан поверхневого слою заготовки й дозволяе змзнювати напруженно-деформовакий стан при

<о

вшшвз рззноманзтних технодогзчних фактор1в у процесз виготов-лення деталь При цьому, зкаючи якзсн1 показники стану поверхневого слою заготовки, такз як рештковз капруги,с можлиз1сть про-гкозузати величину решткових деформащй та керузати напружено- дефор.моваким станом заготовь на кожкому еташ всього технолог 1Чпого процесу.

3. Виконано теоретичний опис процес1в напружено-дефор-мацзйкого стану деталз П1Д впливом 1мпульс1в струму, на пздстазз чего одержано акалзтичкз виражекня параметр1в струму при импульсному знижекн1 ре ят ко в их напрут. Одержано рздзональнз режими влектро\мпульсно! обробки в еполуцз з технологзчнкми факторами процесу рззання.

4. Розроблеко нову орип кальку методику дослздаення напру-.-кко-деформованого стану материалу з Використакням рентгеност-руктурного анализу при впливз на заготовку импульсного струму зисогал щыькость Створена методика дозволяе при знженер^й ре-алззацз'з одержати наочнз рекомендацП змзн з перерозподзлу решткових напрут при впливз змпульсного струму високоз' щлькостз для промислового виробкицтва заготовок.

5. Розроблеко з виготовлено уьчверсальний комплекс для зняття техколопчянх решткових напрут 1 мпульеким струмом, шр дозволяе регулювати -параметри струму (частоту змпулъемв, кзлькзеть пачок змпульспв) у широтах д1апазонах, а використання припасованого до комплексу компьютера - оптшззувати процес.

6. Розроблеко алгоритм з програма оптимззацп та реяим1в

И

процесу ¿мпульсного эняття технолог1чних ревггкових напрут у ме-талах, щр дозволяе керувати якютю поверхневого шару заготовок у ход) всього технолог!чного циклу 1х виготовлення.

7. На шдстав! експериментальних досл!джень розроблено практичн! рекомендацП по застосуванню методу импульсного эняття решткових напрут робочих валков. Для одержання мшмадьних решт-

кових напрут обробку деталей сл)Д проводити на таких режимах:

2 -3-4

НЦльШсть струму 2Б0-360А/ММ, тривал^ть импульсу - 10 -10с(для

заготовок, як! пройшли нормализации.

8. Результати роботи знайшли практична застосування. Доеладно-промисловий прилад для зняття решткових напрут ампуль-сним струмом високо а- Щ)ЛЬН0СТ1 133Н-1 запрваджено у виробництво на НБШГ'СЛСШмаш" при виготовленн! робочих валков ••■ прокатних стаю в, а також пройшла лабораторн: випробування на ПО НКМЗ. При цьому шдтверджено ефективнгсть 1 економ1чна доц!льн1сть розроб-леного технологачного процесу обробки робочих валкдв. Економ1чний ефект в:д эапровадження комплексу 133Н-1 становить 415 тис. карбованцев.

Основн) положения 1 результата дисертацзйно! роботи висв1тлено в таких публикациях:

1. Гинкул С. П., Кобцева И. Е Снятие остаточных напряжений импульсами тока. Прогрессивные и технологические методы отделоч-но-упрочняющих, вибростабилизирующих и других ресурсосберегающих

__ технологий. Тез. докл.-Краматорск,1991г. ,22-25 октября,с. 49

2. Гинкул С. П., Кухтик Т. Е , Кобцева И. Е Влияние электрического поля на напряженное состояние материала. -В кн.: Качество и надежность технологических систем механообработки. Тез. докл. -Краматорск,1991г. ,20-24 мая,с. 90

3. Гинкул С. П., Кобцева И. В. К вопросу точности обработки деталей типа валов. Новые технологические процессы в механической обработке. Тез. докл. - Одесса, 1992г. ,13-14 октября, с.

4. Гинкул С. П., Кобцева И. Е Стабилизация остаточных напряжений импульсами тока. В кн.: Сборник научных статей НПО НИИПТ-Маш, Краматорск,1992г.

6. Кухтик Т. К , Гинкул. С. П., Кобцева И. Е Способ стабилизации остаточных напряжений электромагнитными полями. УДК521.91. 048