автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и внедрение вибрационной технологии для получения прецизионных изделий машиностроения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

на правах рукописи КУЗНЕЦОВ Евгений Викторович

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ВИБРАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗДЕЛИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

специальность 05.02.08 — «Технология машиностроения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск 1996

Диссертация является руколиеыо

Работа выполнена в Государственной металлургической, академии Украины Министерства образования Украины

Научный руководитель:- доктор технических наук, профессор

Морозенко Вадим Никифорович

Официальные оппоненты;■ доктор технических наук, профессор

Балакин Валерий Федорович кандадат технических наук, доцент Назарёц Виктор Семенович

Ведущая организация: Днепропетровский завод "Авиаагрегат",

: г. Днепропетровск

Защита состоится " 9 " октября 1996 г. в 42.. 00 часов на заседании специализированного Совета К 03.06.05 по защите диссертаций при Государственной горной Академии Украины / 320027, г. Днепропетровск - 27, проспек* Карла Маркса, 19 /»

С диссертацией можно, озн^сомиться в библиотеке Государственной горной академии Украины.-

Автореферат разослан " 23 " а&\

густа

1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета К 03.06.05 кандидат технических наук, - профессор

Лобанов В.С.

1. ОЫЦАИ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Л КI i'AU !_■ и.{>е! и _i>.i у ц ш= Современная металлообработка нацелена на повышение точности изделий при снижении их себестоимости. В связи с этим, в мире отмечается широкое использование более эффективных, чем резание, технологий ОМД. Особое значение они имеют при получении изделии для точного машино- и приборостроения. Одна из них - волочение. Отечественная практика ограничиваемся, и основном, ею применением лишь в меппной промышленности. Однако опыт показывает, что его использование при обработке цилиндрических изделий позволяет получать нужное качество при меньших затратах. В то же время существует проблема изготовления точных изделий большой длины !( > 10с1/ в связи с искривлением их геометрической оси. Комплексному решению этих двух задач применительно к получению изделий Для точного машино- и приборостроения посвящена данная работа.

. 11елмо' диссертации йвляегся разработка и внедрение вибрационной технологии для' получения прецизионных изделий машиностроения.

Идея работы заключается в приведении технологического воздействия в соответствие.с деформационным поведением материала.

На защиту выносятся следующие основные научные положения и результаты.

Положения: i. Обработка заготовок давлением может бьиь интенсифицирована путем согласования оказываемого периодического воздействия с деформационным поведением материала и достижения на этой основе резонанса пластического течения.

2. Резонансное технологическое воздействие в конечном итоге способствует уменьшению послеопераиионною коробления изделии.

РШДЬШШ: Из решения дифференциальных уравнений механики сплошной среды получены основные технологические параметры, позволяющие согласовав оказываемое периодическое воздействие с деформационным поведением материала заготовки h достичь на этой основе резонанс пластического течения.

2. Путем сравнительных экспериментальных исследований установлено, что резонансное виброволочение заготовок через вращающуюся фильеру позволяет получать цилиндрические прецизионные изделия машиностроения.

3. Разработаны конструкции устройств, реализующих предложенную технологию.

Научная новизна, I. Теоретически обосновано наложение низкочастотных колебаний на заготовку при ее волочении. В конечном итоге это позволяет повысить геометрическую точность изделий.

2. 1.1а основе анализа реолог ической модели деформационного Поведения металла предложена методика расчета "основных технологических параметров внбродеформированпя, имеющая целью'

определение частотных границ, оптимальных при волочении и прессовании заготовок с различными физико-механическими свойствами.

Практическая ценность. Определены основные физико-механические ларамефы, влияющие на пластическое течение, металлов. Эго позволило реализовать такие технологические условия, при которых оказываемое внешнее периодическое воздействие согласуется с периодическим течением материала заготовки и входит с ним в резонанс. Следствием этого является снижение остаточных напряжений, что способствует уменьшению послеоперационного коробления, т.е. повышает точность изделий. Для усиления эффективности вибровоздействия, применительно к; волочению было предложено совместить осевые колебания с вращением фильеры относительно заготовки при одновременном интенсивном охлаждении очага деформации. Предложенные технологические решения' доведены до уровня конкретных устройств, нашедших применение на производстве.

Обоснованность и достоверность паучник результатов подтверждается не противоречием основным положением теории технологии механической обработки заготовок; использованием современных методов исследования и современной измерительной аппаратуры; использованием модельных представлений, отражающих физическую картину исследуемого процесса и обеспечивающих получение теоретических и экспериментальных результатов, согласующихся' с теоретическими положениями; удовлетворительным согласованием результатов экспериментов с теоретическими данными /погрешность не превышает 20%/.

Реализация результатов работы в промышленности. Для производства направляющих перемещения печатающей каретки АЦПУ типа Дб 8.209.596 н Дб 8,209.598 на 'заводах УВМ /г. Орел/ и "Счетмаш" /г. Лубны/ разработана техническая документация на устройство для волочения профилей /чертеж X 450.00.00.000/, защищенное патентом Российской Федерации. Опыт показал, что по сравнению с заводской технологией, основанной на резании, волочение существенно упрощает получение этих изделий. Кроме того было отмечено повышение их качества.

Для чистового волочения проволоки на Днепропетровском заводе "Красный Профинтерн" разработана документация на вращающийся волокодержатель с интенсивным водяным охлаждением /чертеж X 121.00.00.000/ . Получено полное устранение овальность проволоки: Отсутствовали задиры на ее поверхности. Это соответствует основным требованиям по точности для указанных изделий. Одновременно, из-за. интенсивного охлаждения очага деформации в сочетании с вращением инструмента, отсутствовало окисление сухой технологической смазки.

Эффективность от применения предложенной технологии выражается в уменьшении на 24% расхода метаЛла, .сокращении на 80% машинного времени, снижение на 75% расхода энергии.

Аиробания работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры технологии машиностроения ГМетАУ 1992, . 1993, 1994, 1996 гг.; научно-технический конференции "Ресурсосбережение в машиностроении", Запорожье, ¡992 г.; на научных семинарах кафедры обработки металлов давлением ГМетАУ 1992, 1995 гг.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в двух опубликованных работах, одной заявке на патент Украины и защищено патентом Российской Федерации,

Объем и структура рзбЬти. Рабо га состоит из Введения, четырех глав, основных выводов и приложений и содержи! 157 страниц машинописного текста, 9 таблиц, 20 рисунков, 102 формулы, а также библиографический список из 217-наименований.

2, ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

■ Состояние вопроса н задачи исследования.

Отечественная технология производства прецизионных изделий машиностроения основывается, большей' частью; на резании. Однако Фурье-анализ связанных с технологическим, воздействием погрешностей механической обработки показал,: что существуют более эффективные методы, их. получения. Один из них 1 - волочение! Установлено, что его применение в-указанных целях требует учета описанного академиком А.Ф. Иоффе периодического характера пластического течения. Это позволяет построить механическую обработку так, чтобы в ее ходе оказывать комплексное влияние как на зависящие, так и на не зависящие от технологического воздействия погрешности.

О динамическом воздействии на пластическое течение металлов.

На основе теории пластических течений и с учетом периодичности процесса, его можно описать с помощью реологической модели, сост оящей из последовательно соединенных элементов Гуха, Кельвина 1 Фонгта и Сен' Венана.. Анализ' ее поведения под действием постоянной нагрузки показал, что. система приходит в состояние автоколебаний. Из принципа соответствия таких моделей процессам, . происходящим в реальных материалах следует, что кьазипериодичность пластического течения

определяется переменными напряжениями О — ст(1), которые можно определить из решения дифференциального уравнения

а+таога=Г(ст;ст)-'Е<г/2я /1/

где ТЗо - собственная частота сдвиговой деформации, с' ■ Под и£ действием в материале происходят периодические сдвиги. А.Ф. Иоффе показал, что их

частота строго постоянна в конкретных условиях. Она зависит от модуля сдвига и коэффициента внутреннего трения <3'' и может быть определена из выражения

V = в/О"1, Гц /2/

Зная частоту сдвигов, можно, воздействуя на деформируемый объем периодической нагрузкой с той же или близкой частотой, ввести эту нагрузку в резонанс с деформационным поведением материала заготовки.

Внутреннее трение препятствует нарастанию амплитуды сдвиговой деформации. В системе устанавливаются колебания, оптимальные для нее. Это возможно, если частота нагружении находится в диапазоне, включающем собственную частоту пульсаций пластичности, т.е. когда имеет место принудительная синхронизация деформирующего воздействия и собственно пластического течения. Существование такого диапазона /полосы синхронизации/ объясняет сведения . Ю.А. Боборыкина и В.Н.Шаповала об эффективности наложения вибрации на деформируемый объем в рамках узкого интервала частот. Коррелируя в своем развитии, вначале хаотичные, отдельные сдвиги формируют волну пластичности. Она имеет достаточный потенциал для прохождения неизбежных трудно-деформируемых областей. Это способствует снижению остаточных напряжений в теле изделия и, как следствие, уменьшает его послеоперационное коробление. Следует ожидать, что указанный эффект будет иметь место и при вибровозденствии, околорезонансном в рамках полосы синхронизации. Такой случай наиболее вероятен при практической реализации предлагаемой технологии.

Исследование влияния низкочастотной вибрации на процесс волочения особо точных изделий.

Экспериментальное изучение влияния низкочастотной осевой вибрации на процесс точного' волочения проводилось на основе расширения, по сравнению с известными литературными данными, номенклатуры исследуемых материалов. Осуществлялось однократное виброволочение прутков со скоростью 4 м/мин, степенью деформации до 15% и частотой наложенных колебаний до 60 Гц через фильеры с углом при деформирующем конусе \2° . Технологической смазкой служил сульфофрезол. Тензостанцией ТА-4 фиксировалось усилие волочения. Полученные результаты показали, что в области частот, близких к определяемой из выражения 121 частоте периодических элементарных сдлнгов, по сравнению с процессом без вибрации, наблюдается снижение рабочего усилия /рис.1/. Это можно объяснить вхождением пластического течения в резонанс с приложенным воздействием. Меньшие степени снижения усилия волочения отмечаются на частотах, кратных пульсациям пластического течения, что-объясняется наступлением кратных резонансов.

рис. 1. Изменение усилия деформирования при наложении периодической нагрузки

1. Алюминий АД-1;

2. Латунь Л 62;

3. Медь М 2 деформированная;

4. Сталь 08 ки;

5. Сталь 45 сырая;

6. Сталь Х18Н9Т

Повышение частоты вибробозясйздия вызывает рассогласование периодического деформирования й сопровождающих пластическое течение релаксационных процессов, Для резонансов, близких к первому,. такое рассогласование укладывается в рамки полосы синхронизации. При этом сохраняется возможность самоподстрой|<и. С.углублением в зарезонансную область, .рассогласование усиливается, а сзмоподстройка затрудняется. В зависимости от сдвига фаз, вибрация, в предельном, случае, начинает препятствовать- пластическому течению, Наблюдается . затухание резонансов. Оно выражается в, уменьшении степени падения, усилия волочения. Сказанное подтверждает тот описанный. К).А. Бобрыкпным факт, что при виброволочении меди частоты вибровоздействия более 10 Гц не привели к существенному изменению деформирующего усилия.

Вторым направлением исследований было изучение влияния этого метода на точность изделий. Как пример, рассмотрено получение направляющих типа 'Дб 8.209.596,и Дб 8.209.598 для перемещения каретки АЦПУ. Это цилиндрические стержни с допуском на диаметр по 7 квалитету, шероховатостью Я а 0,32 и- 4 степенью точности по кривизне образующей основной поверхности. Заводская технология предусматривает точение , с последующим бесцентровым.' -шлифованием; ■ Ей противопоставлялось волочение на . горизонтально-протяжном станке модели 7525 через неподвижный инструмент, а также .резонансное виброволочение через вращающуюся фильеру. Установлено'' /рис.2/, что только Носле резонансного вибро.волочения через вращающуюся фильеру все контролируемые • параметры точности ..укладывались в допуск. Это позволило рекомендовать применение последней технологии для получения прецизионных изделий машиностроения.

Конструкции устройств для волочения Щ1лтшрнческих профилей особо' высокой точности

Точность метизных изделий.предусматривает, в основном, круглость поперечного сечения и отсутствие задиров на их. поверхности. , Для получения высококачественной проволоки , был разработан-вращающийся волокодержатель с интенсивным, водяным охлаждением " /чертеж X 121.00.00.000/. Устройство /рис, 3/ внедрено на Днепропетровском заводе "Красный Профннтерн". В корпусе I, имеющем отверстия для подключения к водопроводу, в подшипниках 2 размещен приводной шпиндель "3, имеющий расточку , для сборной волоки 4, На шпинделе выполнен винтообразный профиль с большой площадью поверхности витков. Привод осуществляется от мотор-редуктора /не показан/, через зубчатую пару. Ее шестерня 5 посажена на хвостовик шпинделя, а ответная ей на вал мотор-редуктора. Для улучшения охлаждения очага деформации, внутрь корпуса I по касательной к поверхности винтообразного • профиля на- шпинделе 3 подавалась проточная вода. Промышленная эксплуатация устройства, показала полное снятие овальности поперечного сечения проволоки и •

8,0 7,06,0 5,0

4,о:

3,0

1,0

0,9

0,8 .0,7

0,6

0,5

0,4 |

0,3

0,2 0,1

о

мм

□

а

о

□

а

X

о

□

ш

□

х

о

X

□

X

~ ось

УрШ

о

о

о

МЬ'мП-ЬЧ??-

95

а

□

о

□

о

о

Л

о

о

Т[о

а

Ш

о

о

О!

-Ш

1*

о.

□

X

о

в

Ш1

О-

10

30

номер детали

V о

I

гсэ

рис. 2. Изогнутость геометрической оси прутков после некоторых видов механической обработки

х - точение с последующим бесцентровым шлифованием: 13 волочение через неподвижную фильеру; о - волочение через вращающуюся относительно заготовки фильеру:

• - резонансное вибронолочен'не через вращающуюся фильеру.

отсутствие задиров на ее поверхности. Одновременно, из-за интенсивною охлаждения очага деформации, отсутствовало окисление охиЧ технологической смазки. Устройство имеет принципиальную возможнее л. регулирования частоты вращения шпинделя путем смены зубчатых пар. необходимо при изменении технологических условий обработки.

Объединение приводов вращения волокодержзтеля и перемещения тягового органа легло в основу устройства для волочения профилей /чертеж X 450.00.00.000/. С его помощью можно производить обработку злгоюп^ь под различные направляющие перемещения печатающей каретки АЦПУ, особо точных кареток и суппортов, подвижных устройств промыпшешшд роботов, направляющие колонки прецизионных вырубных и гибочно-профилирующих штампов, валы высокоскоростных топливных авиапашеов типа ЭЦН и ДЦН, прецизионные валы и шпиндели ннсфумснталмпл.. бабок на опорах с газовой смазкой, плунжеры аксиально-поршневых гидромашин высокого давления и т.п.

Одно из исполнений устройства показано на рис. 4. Траверса I с захватом 2 и гайкой 3 перемещается вдоль ходового винта 4 в направляющих 5. Момент от электродвигателя 6 через шкивы 7 и 8 клииоремеиной передачи, образующие коробку скоростей сменную 9, 10 и постоянную И, 12 зубчатые пары, передается на вращающийся в подшипниках 13 и14 ходовой винт 4. На одном его хвостовике находится шестерня 15, входящая в зацепление с зубчатым венцом 16. Пенен жесч.-« связан с вращающимся в подшипнике 17 волокпдержатечгч тчг^жпг ■ фидеру 19. Шестерни 15 и16 также являются сменными

рис. 4. Устройство для волочения профилей

Таким образом, в устройстве имеются две-связанные кинематические цели - • цепь главного движения и цепь' вращения инструмента относительно заготовки. Жесткая . кинематическая связь между - двумя формообразующими движениями . позволяет изменять технологические режимы обработки в зависимости от. конкретных • условий, т.е. оптимизировать их.

. Эта схема может быть применена и при волочении проволоки через вращающийся волокодержатель /см.. рис. 3/. Вращение его шпинделя заимствуется от главного двигателе волочильного стана. ' ;

Оснащение устройства вибровозбуднтелем . позволяет совместить вращение фильеры с резонансным, вкбровозденствием .на заготовку. ' Колебания можно сообщить, например, тяговому органу. Для этого годен вибровозбудитель любой конструкции.' Главное требование, которому он' должен удовлетворять - возможность создания, колебании ' нужнбго качества. Учитывая необходимость изменения технологических режимов при переходе . с обработки одного материала на обработку другого, • дополнительно ' необходимо,' чтобы система имела возможность регулирования параметров создаваемых колебаний. Таким- свойством обладает пневматический Виброводбудитель по а.с. СССР № 13289986, использовавшийся в настоящих исследованиях. • ■ >

3. ОСЯОИ111,1|Ь: РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. На основе изучения литературных источников установлено, что в настоящее время в практике металлообработки, интенсивно развиваются методыформообразования/болееэффективные.чемрезанне. 4 . 1

' С помощью фурье>айализа погрещноетеЦ механической обработки. обоснована целесообразность применения этих методов при производстве цилиндрических изделий особо высокой точности.' '■.".'• .

3. Исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлена волновая природа пластического течения металлов и их сплавов в холодном . состоянии. Она обуславливает периодичность процесса. Учитывая это, предложена реологическая модель деформациоиногопоаедения реальных материалов, а также * математическое описание' ; его' Характера в . пластической области. '-"' '•'■..'.'■''■''•'.', ' -

4. Теоретически и экспериментально онределеныосновные физико-механические параметры пластической, деформации:.; частота .сдвигов, ' коэффициент внутреннего трения,. необходимая мастртй'Йриложения периодической нагрузки. /''■ ', -,.'.-'•'*. ' . .....•'*•. ',. •

5. Экспериментально установлено, что подстройка формообразующего воздействие под деформационное поведение материала облегчает пластическое течение. Это способствует 'снижению остагочных . напряжений в изделии и, как следствие, уменьшает, послеоперационное' коробление, повышая точность геометрической формы. ; ■ ■. .' ." . ; - .

6. Основываясь на результатах теоретических и экспериментальных исследований, предложены конструкции устройств для почоченчя проволоки и прутков.

7. Рассмотрена практическая возможность наложения резонансною вибровоздействия на очаг деформации, в том числе и с регулированием частоты создаваемых колебании.

8. С целью оказания комплексного влияния на точность изделий в радиальном и продольном направлениях, предложено совмсинп. резонансное внброноздсйствпе с вращением фильеры относительно заготовки в плоскости, перпендикулярной оси волочения. Причем вращение инструмента может быть кинематически жестко связанным со скоростью перемещения тягового органа.

• 9. Результаты работы получили применение на заводах УМВ /г. Орел/ и "Счсшаш'Уг. Лубны/ при производстве направляющих типа Дб 8.209.596 и Дб 8.209.598 перемещения печатающей каретки АЦПУ, а также на заводе "Красный Профинтерн" /г. Днепропетровск/ при производстве высококачественной проволоки.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Морозенко В.Н., Кузнецов Е.В. О возможности динамического воздействия'на пластическое деформирование материалов: Тезисы доклада на научно-технической конференции "Ресурсосбережение » машиностроении" 21-22 октября 1992 г. - Запорожье, 1992. - С. 31 - 33.

2. Морозенко В.Н., Кузнецов Е.В., Кузнецов В.Е. О возможности динамического воздействия на пластическое деформирование мегалтов, //Изв. вузов. Черная металлургия. - 1993. - №5. - С. 23 - 26.

3. Способ пластического деформирования материала г наложением вибрации: Заявка № 93101131 на патент Украины, МКИ В 21 С 3/14 / Морозенко В.П., Кузнецов Е.В - Заявл. 02.02.93; Опубл. 25.03.94, Бюл. № I.

4. Устройство для волочения профилей: Патент Российской Федерации № 2030237, МКИ В 21 С 3/14 / Морокнко В.Н., Кузнецов Б.В. Кузнецов В.Е. - № 5016931/02; Заявл. 15.07.91; Опубл. 10.03.95, Бюл. № 7.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве: - разработана методика определения величины действующих напряжений течения в зависимости от времени /1,2/;

-в изобретениях авторский вклад определяется справками о долевом участии. . * Л

Кузнецов Е.В.

Аннотации

J.V. Kuznetcov: "Development and introduction of the vibration technology for obtaining precise machine-building articles".

Dissertation for the academic degree of Candidate of Science (Techn.) in technology of machine-building (code 05.02.08) : State Mining Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 1996.

The new effective technology of treating materials to obtaine precise machine-building articles is defended. It is based<on the use of periodical power action that has a frequency resonant with deformation behaviour, of metals and their alloys in cold condition. This, decreases a postoperating departure from strainghtline of articles and raises preciseness of their geometrical form. The background of the dissertation comprises 2 research works and 2 patents.

G.B. Кузнецов: "Розробка та впровадження в1броцщно1 технологи для одержання прецизиших внроб!в машинобудування".

Дисерташя на здобуття вченого ступеня кандидата техн(чних наук, спещалыпсть 05.02.08 ¡ Технолога машинобудування; Державна Прнича Академю Укра'шн, Дншропетровськ, 1996 р.

Захищаеться нова ефективна технолопя обробки заготовок з метою одержання примусово цилшдричних ' прецизшних nnpo6iB машинобудування. Вона заключасться в наданш Периодично! силовох д|1 з частотою, резонансною по шдношенню . до деформацЩноХ ; поведжки мешав та ix сплав!в в холодному crani. Це забеспечуе зменшення шеляоперацшного коробления Biipo6ie та збшьшенНя точносп ix геометрнчио! форми. Основний 3MicT дисерташ! викладено в двох друковаиих роботах та захищенодвома патентами.

Ключов1 слова: волочшня, дротики, точшеть, пульсуюча пластична теч!я, рсзонансне формоутворення.