автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка методов повышения эффективности механической обработки путем наложения модулированных ультразвуковых колебаний на смазочно-охлаждающую жидкость и инструмент

На правах рукописи

Ковальногов Владислав Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПУТЕМ НАЛОЖЕНИЯ МОДУЛИРОВАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩУЮ ЖИДКОСТЬ И ИНСТРУМЕНТ

Специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 С 014 ( 2иП

Москва-2011

4857590

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

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Киселев Евгений Степанович

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор ГРЕЧИШНИКОВ Владимир Андреевич

доктор технических наук, профессор Наумов Александр Геннадьевич

доктор технических наук, профессор Султан-заде Назим Музаффарович

Ведущая организация: ЗАО «Авиастар-СП» (г. Ульяновск)

Защита диссертации состоится «16» ноября 2011 г. в_часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.06 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экземпляре, заверенный печатью организации, просим высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Телефон для справок: (499) 267-09-63.

Автореферат разослан « »

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

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Технологическое обеспечение качества и повышение конкурентоспособности продукции машиностроения, являющиеся залогом устойчивого роста национальной экономики, неразрывно связаны с переходом на «высокие» технологии, отличающиеся интенсификацией производительности механической обработки, которая, по оценкам экспертов, в первой четверти нашего столетия должна возрасти вдвое. Как правило, увеличение производительности обработки сопряжено с ростом теплообразования в зоне резания и увеличением тепловой нагрузки на поверхностные слои (ПС) заготовки и режущего инструмента, которая, в свою очередь, лимитирует период стойкости инструмента и качество обработанных деталей.

В современных условиях стремление к увеличению производительности механической обработки входит в противоречие с все большим ухудшением условий тепломассопереноса из зон контакта режущего инструмента с заготовкой в связи с переходом на резание со сверхвысокими скоростями, переориентацией на обработку с ограниченным (дозированным) применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), увеличением доли заготовок из труднообрабатываемых конструкционных материалов и материалов со специальными свойствами, уменьшением операционных припусков, увеличением концентрации элементарных технологических переходов в структуре операций. В результате интенсивное теплообразование в зоне резания технически все труднее компенсировать адекватным отводом теплоты, и механическая обработка выполняется в условиях тепловых ограничений, когда избыточный тепловой ноток, концентрирующийся в ПС заготовки или инструмента, сдерживает повышение ее эффективности.

С учетом изложенного, высокая эффективность механической обработки, выполняемой в условиях тепловых ограничений, достижима лишь при максимально допустимых (критических) тепловых нагрузках на ПС взаимодействующих при обработке объектов. В связи с тенденцией к ресурсосберегающему применению СОЖ все отчетливее обозначается необходимость в организации эффективной защиты ПС заготовки и инструмента от теплового воздействия в зоне механической обработки как на основе интенсификации функциональных действий СОЖ, подаваемых в минимально необходимом количестве, так и за счет альтернативных технических и технологических решений, в частности основанных на рациональном применении ультразвука для воздействия на элементы технологической системы и на подаваемую СОЖ. В ряде случаев, особенно при изготовлении ответственных прецизионных деталей машин, возникла необходимость разработки новых технологических методов и приемов (как правило, на основе концентрации физических принципов воздействия, в том числе ультразвукового (УЗ), на объект обработки), которые препятствовали бы технологическому наследованию внесенных в теплонагруженный ПС изменений.

Поэтому тема работы, направленной на исследование и разработку методов повышения эффективности механической обработки рациональным использованием энергии УЗ колебаний (УЗК), является актуальной.

Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в составе НИР 205.03.01.011 «Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей автомобилей при высокопроизводительном шлифовании в процессах изготовления и ремонта» (2001 — 2002 гг.), НИР 205.03.01.003 «Технологическое обеспечение заданных эксплуатационных характеристик деталей наземных транспортных средств в процессах экологически чистого изготовления и ремонта» (2003 - 2004 гг.) и НИР 205.09.01.003 «Новые ультразвуковые ресурсосберегающие технологии механической обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов в машино- и приборостроении» (2003 - 2004 гг.). Выполненные исследования поддержаны грантом Президента РФ по проекту № МК-2423.2008.8 «Ресурсосберегающее технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей транспортных, авиационных и космических систем при высокоскоростном формообразовании в процессе изготовления путем рационального применения ультразвука» (2008 - 2009 гг.), грантами Российского фонда фундаментальных исследований по проектам № 08-08-00200-а «Теплообмен в системе механически взаимодействующих объектов в условиях дозированной подачи в контактную зону смазочно-охлаждающей среды» (2008 - 2010 гг.) и 09-08-97003-р «Разработка атермической технологии релаксации остаточных напряжений в шлифованных деталях машин и сварных металлоконструкциях на основе применения ультразвука» (2009 - 2010 гг.) и грантом Минобразования РФ на развитие приборной базы научных исследований подведомственных вузов (приказ № 1002 от 17.03.2003).

Цель работы - повышение эффективности механической обработки заготовок за счет рационального применения ультразвука для минимизации теплообразования в зоне резания, интенсификации теплоотвода в СОЖ, а также для воздействия на процесс технологического наследования остаточных напряжений в теплонагруженном ПС.

В соответствии с поставленной целью, были решены следующие задачи:

1. Разработаны математическая модель и методика численного анализа тепловых взаимодействий в системе объектов, контактирующих при выполнении операций механической обработки с применением ультразвука, с учетом ограничивающих и управляющих технологических факторов, включая ресурсосберегающую подачу СОЖ.

2. Аналитически и экспериментально исследована возможность интенсификации проникающей способности СОЖ и ее функциональных действий в контактных зонах механической обработки, а также реализации части из них за счет альтернативных технических и технологических решений на основе рационального применения ультразвука.

3. Аналитически и экспериментально исследованы закономерности формирования и технологического наследования механического состояния ПС, те-плонагруженного при механической обработке с применением ультразвука, с учетом силового и теплового воздействий, обновления ПС и релаксации остаточных напряжений.

4. Разработаны (на основе результатов исследований по пп. 1-3) новые УЗ технологии и техника, определены их технологическая и технико-экономическая эффективность в действующем производстве.

Методы исследований. Реализация цели и решение поставленных задач в работе обеспечены применением современных методов исследований, базирующихся на основных положениях технологии машиностроения, математической физики, термомеханики и теплофизики контакшых взаимодействий, теории тепломассообмена, теоретической и технической механики, нелинейной акустики, математического моделирования и численных методов. В экспериментальных исследованиях использовали современные средства автоматизации измерения температурно-силовой напряженности в контактных зонах механической обработки, а также новые экспериментальные методы оценки проникающей способности СОЖ и неразрушающего измерения технологических остаточных напряжений.

Достоверность теоретических разработок и эффективность практических рекомендаций подтверждены результатами испытаний на лабораторных установках и промышленном технологическом оборудовании.

Научная значимость и новизна работы. Обоснована и решена актуальная научная проблема повышения эффективности механической обработки посредством наложения модулированных УЗК на СОЖ и инструмент, позволяющих увеличить проникающую способность СОЖ и улучшить теплообмен в зоне резания. С целью количественной оценки повышения эффективности методов механической обработки заготовок при наложении модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент в диссертации разработаны следующие теоретические и экспериментальные решения, обладающие научной новизной:

- математическая модель и методика численного анализа тепловых взаимодействий в системе объектов, контактирующих при механической обработке, путем совместного решения дифференциальных уравнений теплопроводности с общим граничным условием в зоне контакта;

- математическая модель и методика численного моделирования движения и теплообмена потока СОЖ в пограничных слоях между обрабатываемой заготовкой и инструментом с наложением периодических знакопеременных управляющих воздействий;

- экспериментальная методика количественной оценки проникающей способности СОЖ в капиллярно-пористом пространстве зоны резания под воздействием УЗК.

На основе теоретических и экспериментальных исследований УЗ интенсификации проникающей способности СОЖ в капиллярно-пористом пространстве контактной зоны механической обработки впервые получены значения коэффициентов гидравлического сопротивления, что повышает точность расчета расхода СОЖ через зону обработки. Установлено, что модулированные колебания более эффективно снижают гидравлическое сопротивление СОЖ в капиллярно-пористом пространстве, способствуя многократному увеличению проникновения жидкости через зону обработки без увеличения ее общего расхода, и интенсифицируют её охлаждающее и смазочное действие.

В результате экспериментального исследования процесса УЗ релаксации растягивающих остаточных напряжений, формирующихся в ПС заготовки при механической обработке, установлена предпочтительность применения частотно-модулированных УЗК, что обеспечивает увеличение эффективности релаксации.

Практическую полезность составляют:

1. Программно-информационный комплекс для теплофизического анализа технологических операций механической обработки заготовок и прогнозирования эффективности различных технологических методов и приемов тепловой защиты ПС с учетом управляющих воздействий ультразвуком.

2. Методики определения проникающей способности СОЖ и коэффициентов ее гидравлического сопротивления в капиллярно-пористом пространстве зон резания в условиях УЗ воздействий, в том числе модулированных.

3. Новые УЗ технологии и техника упрочнения теплонагруженных ПС и релаксации технологических остаточных напряжений, способы шлифования (патент РФ 2276004) и выглаживания (патент РФ 2329131), способы и реализующая их техника подачи СОЖ в зоны шлифования, глубокого сверления и внутреннего резьбонарезания с наложением модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент (патенты РФ 2146601, 2151044, 2152297, 2157311, 2279963, 2284878).

Реализация результатов. Программно-информационный комплекс для теплофизического анализа операции шлифования используются в технологической подготовке производства патронов кассетных магнитных сепараторов, выпускаемых ЗАО «НПП «Волга-Экопром» (г. Ульяновск). Новые УЗ технологии и техника апробированы на 9 машиностроительных предприятиях, в том числе с внедрением на ОАО «Спецоборудование» (г. Киров). Фактический годовой экономический эффект от внедрения разработок составил 454 тысячи рублей.

Новые модели и методики теплофизического анализа технологических операций и прогнозирования формируемого на них состояния ПС заготовок, реализующее их программное обеспечение, а также экспериментальные установки и методики внедрены на кафедре «Технология машиностроения» Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ) в учебный процесс подготовки студентов старших курсов машиностроительного факультета, обучающихся но направлению 150900 - Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств.

По результатам выполненных исследований на защиту выносятся:

1. Математические модели и результаты моделирования движения и теплообмена в пограничном слое потока СОЖ с наложением периодических знакопеременных управляющих воздействий, в том числе модулированных УЗК.

2. Математические модели и результаты исследования интенсификации проникающей способности СОЖ в контактные зоны механической обработки путем наложения модулированных УЗК, а также новые методы (способы) (патенты РФ 2151044, 2152297) и реализующие их устройства (патенты РФ 2146601, 2157311,2279963,2284878) для подачи СОЖ.

3. Математические модели и результаты исследования тепловых взаимодействий объектов, контактирующих при выполнении операций механической обработки с наложением УЗК на СОЖ и инструмент.

4. Результаты исследования формирования остаточных напряжений в ПС заготовок при механической обработке, выполняемой с наложением модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент, и процесса УЗ релаксации технологических остаточных напряжений.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях УлГТУ в 2000-2009 гг.; всероссийских научно-технических конференциях «Теплофизика технологических процессов», (Рыбинск, 2000), «Технический вуз — наука, образование и производство в регионе», (Тольятти, 2001), «Современные проблемы машиностроения и транспорта», (Ульяновск, 2003), «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», (Тольятти, 2005), «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» (Рыбинск, 2009); международных научно-технических конференциях «Процессы абразивной обработки. Абразивные инструменты и материалы», (Волжский, 2000 и 2004), «Динамика технологических систем», (Саратов, 2004), «Машиностроение и техносфера XXI века», (Севастополь, Украина, 2004 - 2008); «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, 2007), «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении» (Тольятти, 2008), «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» (Ростов-на-Дону, 2008); Минском международном форуме по тепломассообмену, (Минск, Беларусь, 2000 и 2004), международном научном симпозиуме «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров», (Москва, 2000) и др.; 19 международном конгрессе по конечно-элементным технологиям, (Берлин, Германия, 2001); XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс, 2007); научно-технических семинарах кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ в 2005, 2006 и 2008 гг.; заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УлГТУ в 2009 г.

Результаты работы апробированы путем опытно-промышленных испытаний новой УЗ техники на ОАО «Автодизель» (г. Ярославль), ОАО «Автодеталь-Сервис», ЗАО «Авиастар-СП», (оба - г. Ульяновск), ООО «Димитровградский инструментальный завод» (г. Димитровград), ЗАО «Кардан» (г. Сызрань), ОАО «Спецоборудование» (г. Киров) и др.

Новая УЗ техника для упрочнения ПС и релаксации технологических остаточных напряжений, а также для ресурсосберегающей подачи СОЖ в зоны шлифования, глубокого сверления и внутреннего резьбонарезания, экспонировалась и отмечена дипломами международной специализированной выставки «Современные технологии обработки материалов, интеллектуальные станочные системы, оборудование, приборы и инструмент - ТЕХНОФОРУМ-2007» (Москва, МВЦ «Крокус-Экспо», 2007), VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций «ИнновЭкс-2008» (Москва, ВВЦ, 2008). С проек-

том «Технология и техника для ультразвукового атермического снятия технологических остаточных напряжений в шлифованных деталях машин и сварных металлоконструкциях» соискатель стал лауреатом ульяновского областного конкурса «Лучший инновационный проект 2007 года».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 107 работ, в том числе 2 монографии, 20 публикаций в рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК, и 9 патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка (244 наименования) и приложений, включает 421 страницу машинописного текста, 115 рисунков и 24 таблицы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы объект, цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, кратко проаннотировано содержание и структура рукописи диссертации.

В первой главе приведены результаты обзора научно-технической информации и анализа состояния проблемы научного и технологического обеспечения качества ПС деталей машин и эффективности механической обработки в контексте современных тенденций технического прогресса в машиностроении.

Значительный вклад в развитие концепции и различных аспектов технологического обеспечения и исследования качества ПС, в том числе формирующегося в условиях тепловых офаничений, внесен трудами В.Ф. Безъязычного, A.M. Дальского, Б.А. Кравченко, A.A. Маталина, В.М. Смелянского, В.К. Старкова, A.M. Сулимы, А.Г. Суслова и др. Исследованиям и моделированию тепловых процессов, сопровождающих механическую обработку, посвящены работы Я.И. Бараца, Д.И. Волкова, Д.Г. Евсеева, В.Д. Кузнецова, B.C. Кушнера, С. Малкина, А.Н.Резникова, H.H. Рыкалина, С.С.Силина, JI.B. Худобина, A.B. Якимова и др. Различные аспекты использования энергии УЗ поля в процессах механической обработки заготовок исследовали Е.С. Киселев, Д. Кума-бэ, А.И. Марков, М.С. Нерубай, В.Н. Подураев, A.A. Суворов, Б.Л. Штриков и др. Логическим продолжением работ этих ученых стало настоящее исследование.

Выводы по результатам анализа научно-технической литературы, патентной информации и производственного опыта по теме диссертации сводятся в основном к следующему:

1. Тепловая нагрузка на ПС заготовки и инструмента в современных процессах механической обработки увеличивается как за счет интенсификации теплообразования в контактных зонах, так и в результате усложнения отвода теплоты в контактирующие при обработке объекты, что учитывается в научном и технологическом обеспечении эффективности механической обработки, выполняемой в условиях тепловых ограничений, на основе разработанных принципов анализа тепловых взаимодействий.

2. Анализ известных подходов к теплофизическому анализу контактных взаимодействий показал, что наибольшую точность обеспечивают те из них, которые основаны на совместном решении дифференциальных уравнений теплопроводности каждого из контактирующих объектов с общим граничным условием в зоне контакта. Это позволяет исключить использование в расчетах данных о распределении тепловых потоков, которые носят преимущественно эмпирический характер и количественно различаются в разных источниках в несколько раз.

3. По результатам анализа характерных условий контактных взаимодействий и тепловых ограничений, возникающих в процессе механической обработки, для последующего углубленного исследования в качестве типовых приняты следующие технологические операции: внутреннее резьбонарезание, отличающееся низкой скоростью стружкообразования с тепловыми ограничениями, связанными с особенностями геометрии режущего инструмента в виде большого числа клиновых лезвий малого размера; глубокое сверление отверстий малого диаметра, которому присуще стружкообразование с тепловыми ограничениями, связанными с затрудненным доступом СОЖ и низкой стойкостью сверл в результате их быстрого нагрева до высоких температур; алмазное выглаживание — пластическое деформирование с ограничением в связи с низкой теплостойкостью алмазного инструмента; шлифование, выполняемое, как правило, при смешанном режиме высокоскоростного микрорезания и пластического деформирования с экстремально высоким теплообразованием и тепловыми ограничениями, обусловленными высокой вероятностью дефектообразова-ния в ПС заготовок. Таким образом, охвачены различные тепловые ограничения, условия и скоростные режимы контактных взаимодействий объектов в процессе механической обработки (абразивной, лезвийной, поверхностным пластическим деформированием), а также представительная номенклатура материалов режущего инструмента и заготовок, включая труднообрабатываемые, и применяемых смазочно-охлаждающих технологических средств (водные и масляные СОЖ, аэрозоли, газообразные среды).

4. Радикальным средством воздействия на теплосиловую напряженность в зонах обработки, особенно в условиях ограниченного применения СОЖ, является активация элементов технологической системы (станок - инструмент — заготовка — приспособление) УЗ полем, способствующая резкому снижению затрат на внешнее и внутреннее трение в контактных зонах механической обработки.

5. В связи с резонансным характером эффектов, связанных с поглощением энергии УЗ волн, научный и практический интерес представляют исследования, направленные на интенсификацию проникающей способности и функциональных действий СОЖ в капиллярно-пористом пространстве зон резания за счет воздействия колебаниями, модулированными по частоте и амплитуде. Однако отсутствуют теоретические наработки, позволяющие количественно оценивать их эффективность и разрабатывать рекомендации по практическому применению.

6. В теплонагруженных при механической обработке ПС, как правило, формируются значительные растягивающие технологические остаточные на-

пряжения, которые нежелательны с позиции эксплуатационных свойств детали. Так как традиционные методы и средства их снятия (низкотемпературный отпуск, естественное и искусственное старение) сопряжены со значительными материальными, временными или энергетическими затратами, привлекательным с точки зрения ресурсосбережения и в то же время малоизученным средством снятия остаточных напряжений является УЗ релаксация с использованием модулированных колебаний.

7. Направленное формирование сжимающих остаточных напряжений и заданных глубины и степени упрочнения ПС обеспечивают, в частности, методы поверхностного пластического деформирования. При этом требуемое упрочнение ПС предпочтительнее обеспечивать за счет минимально достаточного для этого силового воздействия. Перспективны, но недостаточно изучены и реализованы резервы минимизации усилия деформирования путем совмещения УЗ поверхностного пластического деформирования с резанием.

В завершающей части первой главы сформулирована цель, обоснованы и поставлены задачи работы, представленные выше.

Вторая глава посвящена разработке основных принципов теплофизиче-ского анализа и математических моделей теплового состояния инструмента и заготовки в процессе механической обработки на операциях, отличающихся экстремальными условиями тепломассопереноса в зоне формообразования новых поверхностей. Разработаны базовая математическая модель и уточнения этой модели применительно к ряду особо теплонапряженных технологических операций, эффективная реализация которых невозможна без применения СОЖ (шлифование, глубокое сверление отверстий малого диаметра, внутреннее резьбонарезание, выглаживание).

С учетом выводов по первой главе, в основу моделирования положен принцип системного теплофизического анализа путем совместного решения дифференциальных уравнений теплопроводности каждого из взаимодействующих при механической обработке объектов (заготовки и инструмента) в трехмерной нестационарной постановке с общим граничным условием в зоне контакта:

где Х„, Хз - теплопроводность соответственно инструментального и обрабатываемого материала, Вт/(мК); Т-температура, К; ии, щ - нормаль к поверхности соответственно инструмента и заготовки на анализируемом участке зоны контакта, м; qвkШ = РгУ¡5 - поверхностная плотность теплового потока, выделившегося в зоне контакта, Вт/м2; Рг - касательная составляющая силы резания, Н; V - скорость резания, м/с; 5 - фактическая площадь контакта инструмента с заготовкой, м ; дж, д„ - поверхностная плотность теплового потока, отводимого из зоны контакта соответственно вместе с СОЖ и стружкой, Вт/м2; Тю Т, - местная контактная температура инструмента и заготовки соответственно, К.

0)

Помимо системы дифференциальных уравнений теплопроводности заготовки и инструмента и граничного условия (1), в структуру базовой математической модели входят представленные в диссертации геометрические, физические, начальные и граничные условия однозначности, отражающие технологические условия выполнения конкретной операции. В диссертации разработаны также условия однозначности, адаптирующие базовую модель применительно к различным схемам обработки шлифованием, сверлением, внутренним резьбо-нарезанием и выглаживанием всухую и с применением СОЖ.

В отличие от традиционных подходов к теплофизическому анализу технологических операций, использование системного принципа и граничного условия зоны контакта в форме теплового баланса (1) обеспечивает возможность исключить необходимость априорного определения доли теплоты к, отводимой из зоны контакта в анализируемый объект, что, в свою очередь, обеспечивает повышенную достоверность и точность получаемых результатов (рис. 1). Вместе с тем, невозможность априорного определения составляющих теплового баланса (1) в зоне контакта, а также необходимость учета изменения теплофи-зических свойств взаимодействующих объектов в зависимости от температуры затрудняют аналитическое определение их теплового состояния. Поэтому для решения системы дифференциальных уравнений теплопроводности с учетом условий однозначности разработана методика численного расчета, базирующаяся на методе конечных объемов. Проанализирована устойчивость численного решения и определены условия, ее обеспечивающие.

1500 г

в 1200 о.

900

600 ■

300 ■

Ж ■

¡11

4 5

Рис. 1. Контактная температура 7'к в зоне круглого наружного врезного шлифования заготовки из стали 40Х: 1 - эксперимент; 2, 3, 4 — расчет на основе подхода Дж. Егера - H.H. Рыкалина при доле теплоты, отводимой в заготовку, к = 0,4, 0,6 и 0,8 соответственно; 5 - расчет на основе подхода А.Н. Резникова (к ~ 0,56); б - численное решение с использованием разработанной методологии системного решения с граничным условием (1). Режим обработки: рабочая скорость круга VK = 50 м/с; скорость заготовки У,= 50 м/мин; скорость врезной подачи V, = 0,8 мм/мин. Подача 3 %-ной эмульсии У кринол-1М поливом с объемным расходом 30 дм/мин

Третья глава посвящена учету в разработанных математических моделях влияния прогрессивных методов и приемов технологического воздействия на теплосиловую напряженность обработки, основанных на наложении модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент. Закономерности влияния ультразвука на теплообразование и теплоотдачу учтены полученными аналитически и экспериментально условиями однозначности.

Среди функциональных действий СОЖ в условиях ограниченного ее расхода технически наиболее трудно обеспечить эффективную реализацию охлаждающего действия, т.е. максимизировать составляющую <?ж в тепловом балансе (1). Поверхностная плотность теплового потока отводимого из зоны контакта за счет нагрева и парообразования СОЖ, определяется зависимостью:

где а - средний коэффициент теплоотдачи к СОЖ в зоне контакта, Вт/(м2-К); Т/- температура потока СОЖ, К; (711ж =сжСж(Т~Т!)/г - соответственно массовый расход СОЖ и ее пара через зону обработки, кг/с; сж - удельная теплоемкость СОЖ, Дж/(кг-К); г - удельная теплота парообразования СОЖ, Дж/кг; Т„ - температура насыщения СОЖ, К; - температура потока СОЖ, К.

Из анализа зависимости (2) следует, что интенсифицировать охлаждающее действие СОЖ можно, во-первых, за счет совершенствования ее состава (в направлении увеличения теплоемкости, плотности, удельной теплоты парообразования); во-вторых, за счет интенсификации теплоотдачи к СОЖ; в-третьих, за счет увеличения ее расхода непосредственно через зону обработки. При этом если возможности первого пути ограничены и к настоящему времени практически исчерпаны, то у второго и третьего остаются резервы, связанные с рациональным применением ультразвука. Для выявления этих резервов устанавливали количественные взаимосвязи между параметрами УЗ поля и плотностью теплового потока дх, уточняющие баланс (1) базовой модели. Эту задачу решали в два этана.

На первом этапе анализировали возможности интенсификации охлаждающего действия СОЖ за счет интенсификации теплоотдачи без увеличения расхода жидкости через зону обработки. Анализ априорной информации показал, что среди методов интенсификации теплоотдачи наиболее эффективны те, которые основаны на воздействии на пристенную турбулентность. К ним относится, в частности, наложение на движущийся поток акустического поля. Эффективность таких способов интенсификации теплоотдачи обусловлена тем, что кинетическая энергия турбулентного движения мала по сравнению с кинетической энергией потока жидкости, поэтому воздействие на пристенную турбулентность обычно требует небольших (по сравнению с воздействием на поток в целом) энергетических затрат.

Для прогнозирования теплоотдачи провели численное моделирование движения и теплообмена в пограничном слое потока СОЖ под воздействием колебаний давления путем решения системы дифференциальных уравнений энергии, движения и неразрывности совместно с оригинальной моделью турбулентного переноса количества движения ц* и теплоты X,:

при Т >т,,

(2)

£

цт =Рж12(ди/ду},

(3)

^т=ИтСж/Ргт, (4)

где рж - плотность СОЖ, кг/м3; и - проекция вектора скорости потока на координатную ось, направленную вдоль обтекаемой поверхности, м/с; у - координата, направленная по нормали к обтекаемой поверхности, м; / - длина пути перемешивания, м:

/ = ау{1-ехр[-ржг;^/(26цж)]}; (5)

эе - коэффициент, характеризующий интенсивность турбулентного переноса:

1- 4'9

ж = 0,4-

РжА^и/ду^о

"п

1-21,4___^Р»/^

(6)

Мжоо^Ооо

V. — динамическая скорость в рассматриваемой точке потока, м/с; ц^- динамическая вязкость, Па-с; р- давление, Па; х - время, с;х-координата, направленная вдоль обтекаемой поверхности, м; Ргт- турбулентное число Прандтля:

РГт=-°аг /ах ; (7)

1+ю7—

ийх{дт/ду)у=й

где индексы: со - относится к параметрам за пределами пограничного слоя в анализируемом сечении; 0со - то же в исходном сечении (при х = 0); шах - к максимальному значению параметра в анализируемом сечении; ж - к параметрам на обтекаемой поверхности.

Из анализа выражений (6) и (7) следует, что на значения величин гг и Ргт, а значит и на интенсивность турбулентного переноса в пограничном слое, оказывают влияние следующие параметры, воздействуя на которые (например, с помощью УЗ техники подачи СОЖ), можно управлять процессом: производные по времени от давления, скорости в ядре потока и продольный градиент давления (скорости) потока. Зависимости (6) и (7) нелинейны относительно управляющих параметров, поэтому при одинаковых по абсолютной величине, но разных по знаку значениях каждого из них их влияние на интенсивность турбулентного переноса будет различным не только по знаку, но и но модулю. Таким образом, при периодическом изменении управляющих параметров во времени или по длине обтекаемой поверхности среднее за соответствующий период влияние этих параметров на интенсивность турбулентного переноса не будет нулевым. Это свидетельствует о принципиальной возможности управления турбулентным переносом посредством периодических знакопеременных воздействий управляющих параметров.

Численные расчеты, выполненные с использованием этой модели и оригинального программного обеспечения, позволили, в частности, установить, что пограничный слой реагирует на периодические управляющие воздействия лишь в определенном частотном диапазоне, а за счет изменения частоты и ам-

плитуды колебаний параметров потока можно управлять интенсивностью теплоотдачи к нему (рис. 2). Начальное (при т = 0) распределение параметров в пограничном слое приняли соответствующим стационарным условиям течения. Колебания давления во всех сечениях пограничного слоя полагали синфазными, а закон изменения давления - гармоническим.

-7

-6

л'

1 /к

/ /л 3

1 О-П-Р / /Л

г ч

V*

-4

-3 18/

Рис. 2. Влияние безразмерной частоты / = /у„/«о® гармонических колебаний давления потока несжимаемой жидкости на осред-ненныс (за период колебания) значения плотности теплового потока на охлаждаемой поверхности при различных значениях числа Эйлера по давлению Еир-. /, ■ -Еир = 400; 2, • - 200; 3, О - 100; 4.СЗ-10

Как видно из рис. 2, зависимость относительной плотности теплового потока в СОЖ (<7Ж / дж0) от частоты колебаний управляющего параметра немонотонна. При этом на разных участках частотного диапазона возможно как ослабление, так и интенсификация теплоотдачи. По мере увеличения числа Еир степень влияния гармонических колебаний давления на теплоотдачу турбулентного потока увеличивается, а экстремум функции (цк / qжo) смещается в сторону меньших частот. По мере уменьшения частоты ниже значения, соответствующего минимуму функции (¿¡гж / дж0), влияние управляющего параметра ослабляется, что связано с переходом к области квазистационарного режима турбулентного переноса, при котором влияние фактора динамической нестационарности становится пренебрежимо малым. Ослабление влияния управляющего параметра происходит и при увеличении частоты / выше значения, соответствующего минимуму функции (дж / ^жо). Это обусловлено переходом к области быстроосциллирующего течения, при котором турбулентные пульсации в большей части сечения пограничного слоя не успевают реагировать на высокочастотные колебания управляющего параметра.

Анализ полученных результатов показал, что наибольшая интенсификация теплоотдачи в СОЖ, обеспечиваемая за счет периодических воздействий, не превышает 12 % и достигается лишь при весьма точной настройке техники подачи СОЖ на заданную частоту. Практическая реализация такого пути интенсификации теплоотдачи при механической обработке представляется затруднительной. Модуляция периодических воздействий по частоте позволяет интенсифицировать теплоотдачу в СОЖ в более широком диапазоне частот колебаний.

На втором этапе теоретически и экспериментально выявляли резервы интенсификации движения СОЖ в капиллярно-пористом пространстве зон реза-

ния за счет воздействия ультразвуком. Дня этого измеряли массовый расход СОЖ, фильтрующейся под воздействием УЗК с различными параметрами (варьировали амплитудой механических колебаний волновода, глубиной амплитудной модуляции и девиацией частотной модуляции) через сменную проточную часть экспериментальной установки. Моделировали капиллярно-пористое пространство зон шлифования, глубокого сверления и внутреннего резьбо-нарезания. Результаты экспериментов обобщали в виде вязкостного и инерционного коэффициентов гидравлического сопротивления (табл. 1) путем решения соответствующих уравнений движения жидкости. Установлена инвариантность значений коэффициентов гидравлического сопротивления к технологическим условиям анализируемых операций и геометрии соответствующих зон обработки, в то же время значимым фактором оказалась модуляция (см. табл. 1).

Таблица 1

Коэффициенты гидравлического сопротивления СОЖ в капиллярно-пористом пространстве зон резания

Параметры УЗ воздействия Коэффициент гидравлического сопротивления

вязкостный ав, м"2 инерционный (Зи, м"1

Без ультразвука 16,9-10" 19,6-109

С наложением НМ УЗК 3,48-10" 2,25-109

С наложением АМ УЗК 2,85-10" 1,66-109

С наложением ЧМ УЗК 2,77-10" 1,68-109

Обозначения: НМ - немодулировашше УЗК (синусоидальные); АМ - амплитудно-модулированные; ЧМ - частотно-модулированные

Полученные значения коэффициентов гидравлического сопротивления далее использовали для расчета массового расхода СОЖ через зоны механической обработки и уточнения величины теплового потока дж, отбираемого жидкостью, а также последующей количественной оценки эффективности УЗ техники подачи СОЖ (рис. 3).

?3 шлифование глубокое внутреннее

^ сверление резьбонарезание

Рис. 3. Относительный расход СОЖ непосредственно через зону механической обработки с применением УЗ техники подачи: аббревиатуры см. в табл. 1

Установлено, что наиболее эффективна УЗ техника подачи СОЖ, генерирующая модулированные по амплитуде или частоте сигналы. По результатам исследований предложены новые способы и устройства для подачи СОЖ в зоны шлифования, глубокого сверления и внутреннего резьбонарезания (патенты РФ 2146601, 2151044, 2152297, 2157311, 2279963 и 2284878), основанные на использовании модулированных УЗК.

Количественную оценку эффективности использования модуляции УЗК для снижения силовой напряженности механической обработки проводили экспериментально на установках, оснащенных оригинальной УЗ техникой и тен-зометрической аппаратурой (табл. 2). Полученную информацию использовали для уточнения составляющей <7„ь,д теплового баланса (1).

Таблица 2

Сравнительная эффективность применения УЗК для снижения силовой напряженности при механической обработке

Технологическая операция Параметр силовой напряженности Вид УЗ воздействия

без УЗК НМ УЗК АМ УЗК ЧМ УЗК

Шлифование Рш 1 0,75...0,8 0,7...0,75 0; 65... 0,75

Глубокое сверление мт 1 0,45...0,5 0,35...0,4 0,3...0,35

РX 1 0,75...0,8 0,7...0,75 0,65...0,7

Внутреннее резьбонарезание Мер 1 0,8... 0,85 0,75...0,8 0,7...0,75

РX 1 0,85...0,9 0,7...0,8 0,7...0,8

Алмазное выглаживание Р: 1 0,6...0,7 0,5...0,6 0,5...0,6

Р* 1 0,75...0,8 0,65...0,7 0,65...0,7

Обозначения: Мкр - крутящий момент; /', - оссвая составляющая силы резания. Аббревиатуры см. в табл. 1

Разработанные математические модели положены в основу программно-информационного комплекса для расчета трехмерных нестационарных температурных полей в заготовке и инструменте при механической обработке. Программно-информационный комплекс обеспечивает возможность автоматизированного интерактивного определения размеров и формы взаимодействующих объектов и зоны контакта, траектории их взаимного перемещения в процессе обработки, теплофизических свойств инструментального и обрабатываемого материалов и СОЖ (в том числе в зависимости от температуры), режима теплообмена в зоне контакта и на поверхностях анализируемой системы по заданным пользователем технологическим условиям обработки, включая параметры УЗ воздействий.

В заключительной части главы приведены результаты экспериментальной проверки адекватности теоретических разработок путем сопоставления результатов численного моделирования теплового состояния взаимодействующих при обработке объектов с результатами измерения методом полуискусственной термопары. Удовлетворительное совпадение результатов численного расчета и

эксперимента (расхождение не превышало 12 %) свидетельствует об адекватности разработанных математических моделей, расчетных алгоритмов и реализующего их программно-информационного комплекса реальным условиям механической обработки.

Четвертая глава содержит результаты теоретико-экспериментальных исследований и численного моделирования с помощью разработанного программно-информационного комплекса таких условий тепломассопереноса, при которых наиболее производительно обеспечивался бы заданный температурный режим обработки, характеризуемый температурой Гкр:

Гкр = шт{Г1,Г2,Гз,Г4,Г5,Г6}, (8)

где Т1 — температура начала вторичных структурно-фазовых превращений в ПС; Т2 - температура выгорания компонентов ПС; 7з - пороговая (с позиции обеспечения точности обработки) температура термических деформаций ПС; ТА, Т5, Т6 — пороговая температура соответственно трещинообразования в ПС, расслоения многослойных ПС, ограничиваемая стойкостью инструмента.

Целью этих исследований было выявление технологических возможностей и определение эффективности различных средств защиты ПС от теплового воздействия, необратимого с позиции либо исключения прижогов, либо обеспечения заданной точности обработки или стойкости режущего инструмента.

Условия тепломассопереноса, 01раничивающие производительность обработки, определяли по результатам выполнения серии имитационных расчетов. При этом варьировали значениями элементов режима обработки, определяющими интенсивность съема материала с заготовки, и значениями управляющих параметров - УЗ воздействий, сообщаемых технологической системе и СОЖ; техники подачи и состава смазочно-охлаждающих технологических средств; техники стабилизации и восстановления режущей способности инструмента и др.

Результаты анализа производительности процессов шлифования (рис. 4) и глубокого сверления отверстий малого диаметра показали наличие значимых резервов увеличения производительности обработки без ухудшения качества деталей, вскрываемых в каждом конкретном случае путем теплофизического анализа технологических условий обработки на основе применения разработанных моделей.

Так, на основе теплофизического анализа определяли области режимов бездефектного шлифования, при которых контактная температура не превышала температуры Т\ начала вторичных структурно-фазовых превращений в ПС, поскольку именно они, как показали предварительные исследования, лимитировали увеличение производительности. Области режимов бездефектного шлифования строили в логарифмической координатной плоскости, в которой изолинии удельной производительности представляют собой семейство параллельных прямых (штриховые линии на рис. 4). При этом каждая из построенных кривых, по-существу, отображает тепловое ограничение производительности шлифования в анализируемых условиях: область ниже и левее кривой соответствует бездефектным режимам, а область выше и правее кривой - режимам,

сопровождающимся образованием дефектов. Таким образом, применение УЗ техники подачи СОЖ (см. рис. 4, кривые 3 - 5) по сравнению с подачей ее поливом (кривая 7) «сдвигает» тепловое ограничение в область более производительных режимов, что позволяет увеличить производительность бездефектного шлифования заготовок из стали 40Х до 2,3 раза, а из стали 95X18 - до 3,6 раза при одинаковом расходе подаваемой жидкости.

к 1

I

ч о в >8 О К

о §

&

а, о и

и

Удельная ри 1 мм высоты круга) производительность, мм2/с 16

12 10 8

6 4

\ 4 л ч л\ч- X ч ч ч *ч ч Ч ч ч ч ч ч Чч ч

А "\\ XV ч ч^ ч, ч ч ч ч

\чЛ \ 4 \ V *ч ч "Ч ч ч ч ч Ч ч ч ч ч ч ч

Ч \ _|\ \ N ч\ ч\ ч\ \\ ч \\ ч \\ ч ч ч ч ч

\ V ч \ч ч \ ч ч \ ч V \ч V \ \ \ \ \ 1 \ чч ч 1ч > \ч к\Ч \\ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ^ ч ч ч ч ч ч

ч \ ч \ ^ ч 1 V ч • Г\. ч Д; к \\ ^^ \ V X ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч

ч ч чХ \\ ч \ чХ X* чХ X ч Ч N. ч ч

на чЕН Чу' Чч|2Л| |3,3|

0,01 0,02 0,03 0,04 0,06 0,08 0,10

Глубина шлифования 1, мм/дв.х.

а)

Удельная производительность, мм2/с

16 м/мин 12 10

ч ч \ Г ч | ч Ч ч ч ч ч ч ч

N ЛЧ\\ N N. \ УЛ ч ч ч ч ч Ч ч ч ч ч ч

ч\ у\ ч ч .к ч ч ч ч ч ч ч ч

ч ч ч ч Ч Ч ч ч ч ч Чч ч

л ^ ^ N / ч ^ чч ч ч, ч ч ч ч ч "Ч ^Ч-ч Ч N ч ч ч ч ч

\ ш ч X. X ч\ ч\ ч\ чч ^ ГПз1 х N у ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч ч^ ч Чз,зГ

0,01

0,02

б)

0,03 0,04 /-

0,06 221.0,10 ДВ.Х

Рис. 4. Области беспри-жогового плоского маятникового шлифования заготовок из стали 40Х (а) и 95X18 (б) кругом 24А16НС17К11 с подачей СОЖ разными способами: 1 - поливом; 2 -одновременно поливом и к торцу круга; 3 - то же с наложением «смодулированных УЗК; 4, 5 - то же с наложением соответственно амплитудно-и частотпо-модулиро-ванных УЗК; О, □ - эксперимент, сплошные линии - расчет; штриховые - изолинии удельной производительности. СОЖ - 2%-ый водный раствор продукта Синхо-2М. Расход СОЖ - 10 дм3/мин

Аналогичные результаты получены при исследовании возможностей и условий форсирования за счет рационального применения ультразвука производительности глубокого сверления маломерных отверстий при сохранении заданного периода стойкости сверла и точности обработки. Установлено, что наиболее эффективно наложение частотно-модулированных колебаний одновременно на сверло и СОЖ.

В этой же главе представлены результаты численного исследования возможностей и условий минимизации (дозирования) расхода СОЖ на операциях механической обработки. Дана количественная оценка максимально возможного теплового потока дж, отводимого в СОЖ, в зависимости от размеров этой зоны, скорости резания и контактной температуры. Разработан алгоритм и приведены результаты численного определения расхода СОЖ, минимально достаточного для обеспечения защиты ПС заготовки от деструктивного термомеханического воздействия в зоне обработки.

Алгоритм основан на поиске решения путем последовательных приближений по результатам серии имитационных расчетов с использованием разработанного программно-информационного комплекса. Установлено, что наиболее целесообразна реализация преимуществ от снижения (за счет применения УЗ техники подачи СОЖ) температурного режима в зоне обработки не путем сокращения расхода подаваемой СОЖ, а путем форсирования производительности обработки. В этом случае, помимо всего прочего, пропорционально снижению машинного времени уменьшается расход СОЖ в расчете на одну обработанную заготовку.

В заключительной части главы представлены результаты численного и экспериментального исследования возможностей и условий замены СОЖ аэрозолями и ионизированным воздухом. Как можно было предположить, технологическая эффективность СОЖ и аэрозолей по сравнению с ионизированным воздухом в целом выше, особенно в части реализации охлаждающего действия (рис. 5). По результатам численного моделирования тепловой напряженности установлено, что за счет варьирования значениями элементов режима обработки при сохранении или незначительном снижении производительности можно обеспечить близкие значения температуры в зонах шлифования с подачей аэрозоли СОЖ и ионизированного воздуха (см., например, кривые 2 и 4 на рис. 5, а при Кпр = 10 м/мин).

а> (/=—* б) Ус—*

Рис. 5. Контактная температура в зоне плоского торцового шлифования заготовок из сталей 40Х (а) и 95X18 (б) с подачей аэрозоли СОЖ НГЛ-205 (кривые 1 и 2) и ионизированного воздуха (кривые 3 и 4): сплошная линия - эксперимент; штриховая - расчет; 1,3' = 0,02 мм/дв.х; 2,4-1 = 0,04 мм/дв.х

Качественно эти результаты подтвердили и непосредственные измерения контактных температур с помощью полуискусственных термопар (сплошные линии 2 и 3 на рис. 5), хотя пороговые значения скорости продольной подачи стола сместились в сторону больших значений. При этом расхождение между расчетными и экспериментальными значениями контактных температур не превышало 12 %, что находилось в пределах погрешности эксперимента.

С форсированием режима обработки технологический эффект от применения СОЖ по сравнению с ионизированным воздухом нивелируется. Это свидетельствует о возможном применении ионизированного воздуха взамен СОЖ при черновой (предварительной) обработке. Однако в каждом конкретном случае такая замена помимо детального теплофизического анализа должна быть обоснована технико-экономическими расчетами.

В пятой главе представлены физическая модель ПС заготовки, теплона-груженного при механической обработке, и комплекс математических моделей и алгоритмов расчета с учетом технологического наследования параметров качества теплонагруженного ПС: технологических остаточных напряжений, степени разупрочнения, термических деформаций. В соответствии с задачами диссертации модели разрабатывали как теоретическую основу для технологического обеспечения эффективности механической обработки с применением ультразвука.

Обобщая результаты известных и собственных исследований формирования свойств теплонагруженных ПС заготовок в процессах механической обработки, в качестве физической модели ПС приняли структуру (рис. 6), состоящую из следующих субслоев: субслой I (у < 0), удаляемый вместе с операционным припуском; субслой 11 (0 <у < Ьц), свойства которого формируются как результат совокупного воздействия трех факторов - структурно-фазовых превращений, термопластических деформаций и пластических деформаций под действием силы резания; субслой III (ки <у <кП+ Ии1), формирующийся в результате одновременного воздействия двух из трех перечисленных факторов (как правило, пластических деформаций под действием силы резания и температуры); субслой IV (Ьис-Ъц'<у < /г,1С), формирующийся в результате пластических деформаций под действием только силы резания или температуры.

Рис. 6. Физическая модель ПС заготовки, формируемого при механиче-

II

Ъц\\

Ж

ъ

I,вс ской обработке: 1 - инструмент; 2 -

заготовка; 3 - условная плоскость Л сдвига; 4 - стружка; I, II, III, IV- ха-

рактерные субслои

Л

У

Ниже субслоя IV (/гпс <у) расположен слой основы, испытывающий лишь упругую деформацию, не изменяющую его физико-механические свойства, но в ряде случаев способную лимитировать точность обработки. Приняли также, что УЗ поле воздействует на формирование свойств ПС опосредовано, через изменение в процессе обработки его напряженно-деформированного и теплового состояния. Естественно, в конкретных технологических условиях в зависимости от режима взаимодействия инструмента 1 с заготовкой 2 (пластическое деформирование или резание) отдельные из указанных субслоев могут отсутствовать и должны исключаться из анализа. Так, при поверхностном пластическом деформировании отсутствует срезаемый субслой /, а при обработке, исключающей структурно-фазовые превращения, вырождается субслой II. В ряде частных случаев ПС по всей глубине йпс может подвергаться одновременному воздействию только силы резания и температуры, при этом вырождаются субслои II и IV.

Толщины характерных субслоев теплонагруженного ПС (см. рис. 6) выражаются следующими зависимостями:

где Ът - глубина распространения термопластических деформаций, определяемая положением критической изотермы Ткр = стг/(р,Ь'), м; Е, ат- соответственно модуль упругости и предел текучести материала заготовки, Па; ИР - глубина распространения пластических деформаций под действием силы резания, м; ^сф - глубина распространения структурно-фазовых изменений, м.

Известно, что силовой и тепловой факторы влияют на формирование физико-механического состояния ПС разнонаправлено. Поэтому при технологическом обеспечении качества теплонагруженного ПС необходимо достоверно оценивать интенсивность каждого из них и столь же достоверно прогнозировать толщины субслоев на основе анализа напряженно-деформированного и теплового состояния зоны механической обработки в УЗ поле в конкретных технологических условиях. Глубины Ит и Исф определяли непосредственно по результатам расчета температурного поля заготовки на основе разработанной методологии и математических моделей с последующей локализацией положения соответствующих изотерм. Глубину ИР определяли на основе критерия Губера-Мизеса по результатам решения пластической задачи механики сплошных сред, деформируемых под действием силы резания, с учетом напряжений, создаваемых температурным полем, и зависимости механических свойств материала заготовки от температуры.

На основе принятой физической модели разработаны математические модели и алгоритмы для расчета степени разупрочнения теплонагруженного ПС и распределения в нем остаточных напряжений, а также погрешностей обработ-

(Ю) (П)

(9)

/гнс = тах \кт, кр, /г.];

у 4

(12)

ки, обусловленных термическими деформациями в системе «режущий инструмент - заготовка», с учетом технологического наследования. Так, тензор остаточных напряжений после выполнения г'-й технологической операции определяли по рекуррентной зависимости:

(ОСТ \ (~ОСТ \ . | „ОСТ _ОСТ , ОСТ \ /1 Оч

СТ1 ), = ),-! +1°/- Т + °сф ),> С13-»

где (э^"),.,- скорректированный тензор остаточных напряжений после предыдущей технологической операции:

(ЗГ)- , = '®ЗОН6У>Нпа' (14)

|{0}, в зоне 0< у

а°Р", о™, тензоры остаточных напряжений, формирующихся под воз-

действием соответственно силы резания, температуры и структурно-фазовых изменений в ПС.

Аналогичный подход использовали для определения степени разупрочнения как относительной остаточной деформации в теплонагруженном ПС. При этом тензоры остаточных напряжений и деформаций определяли на основе теоремы о разгрузке путем последовательного решения упругой и пластической задач механики деформируемых сплошных сред. Поскольку точность таких расчетов, а значит и практическая ценность получаемых результатов, напрямую определяется точностью закладываемого в расчет распределения температуры в ПС, то исходные данные импортировали из разработанного программно-информационного комплекса в программно-вычислительный комплексе А^УБ в виде объемных и поверхностных нагрузок.

. В отличие от остаточных напряжений и деформаций, термические деформации могут накапливаться за время обработки во всем объеме заготовки и режущего инструмента, и обусловленные ими погрешности размера, формы и взаимного расположения обработанных поверхностей технологически наследуются не только в пределах толщины Ит на отдельных операциях. С увеличением степени концентрации элементарных технологических переходов в структуре операции также происходит накопление термических деформаций заготовки и инструмента, сопровождающееся технологическим наследованием погрешностей обработки от перехода к переходу.

В качестве примера на рис. 7 представлены некоторые результаты моделирования погрешностей А(х) диаметра отверстий, обусловленных наследованием накапливающихся термических деформаций по мере последовательного сверления группы близкорасположенных отверстий в прецизионном корпусе.

Эта погрешность определяется следующей зависимостью:

Д(х) = ДЕ>(х)-ДО0(х), (15)

где ЛДх) - линейное тепловое расширение сверла, м:

%.

АП>(х) = 2^ ¡[Т(г,х)-Т0\1г, (16)

о

где рс — температурный коэффициент материала сверла, К"1; £> — диаметр свер-

ла, м; Т, То - соответственно текущая и начальная температура, К; х, г - соответственно осевая и радиальная координата, м (рис. 7, а); ЫОй(х) - линейное тепловое расширение заготовки, м:

Д£>0(*) = 2ЭЗ 1Йг,Х)-7'0К (17)

%

где рз - температурный коэффициент материала заготовки, К"1; Я - длина шага между осями соседних отверстий, м.

ния группы отверстий (б) и максимальная погрешность ДО) при различных вариантах (в): 1, 2 - соответственно номинальная и итоговая образующие отверстия; 3,4- искажение образующей за счет термических деформаций соответственно сверла и заготовки; белые и заштрихованные столбцы - сверление без ультразвука и в УЗ поле соответственно

В зависимости от теплофизических свойств обрабатываемого и инструментального материалов и распределения тепловых потоков в зоне сверления возможно доминирование как погрешности ДДх), сопровождающееся «тепловой» разбивкой отверстия, так и погрешности АП0(х), приводящее к «тепловой» усадке отверстия. При этом величина результирующей погрешности А(х) определяется температурным полем системы «режущий инструмент - заготовка» и напрямую зависит от интенсивности теплообразования в зоне резания. Результаты моделирования (см. рис. 7) подтвердили возможность минимизировать термические деформации в системе «режущий инструмент - заготовка» путем воздействия УЗ полем, снижающим трение и, как следствие, тепловую напряженность обработки, а также за счет рационального проектирования последовательности технологических переходов, обеспечивающей достаточное охлаждение объектов системы.

Разработанные расчетные алгоритмы и модели использовали для анализа возможностей коррекции параметров качества теплонагруженных ПС за счет воздействия УЗ полями и пластической деформацией. Для этого численно (с

использованием разработанных моделей и алгоритмов) и экспериментально изучали закономерности технологического наследования изменений, внесенных в теплонагруженные при механической обработке ПС заготовок. Исследовали возможности и эффективность применения ультразвука для релаксации остаточных напряжений, сформированных в ПС шлифованных деталей, а также для направленного формирования остаточных напряжений в ПС обработанных деталей поверхностным пластическим деформированием.

Эффект УЗ релаксации связан с дислокационным поглощением энергии УЗ волны и преобразованием ее в энергию перемещения дислокаций, что способствует пластическим сдвигам, уменьшающим остаточные напряжения. Известно, что частотная зависимость дислокационного поглощения энергии ультразвука имеет резонансный характер, а собственная резонансная частота дислокации определяется длиной дислокационного отрезка, т.е. расстоянием между соседними точечными дефектами. Последнее свидетельствует о том, что УЗК фиксированной частоты воздействуют лишь на дислокации определенной длины, а для вовлечения в процессы поглощения ультразвука дислокаций разной длины необходимо изменять частоту колебаний. На практике это может быть реализовано путем использования модулированных колебаний. Расширение полосы частот, занимаемой модулированным колебанием, способствует вовлечению в процесс большего числа дислокаций. В результате следует ожидать более интенсивную релаксацию технологических остаточных напряжений.

Опытную проверку этой гипотезы выполняли с помощью аппаратуры для неразрушающего измерения остаточных напряжений СИТОН-АРМ на образцах из материалов, относящихся к разным группам обрабатываемости.

Характерные графики распределения остаточных напряжений по глубине ПС образца из стали ЗХЗМЗФ в зависимости от продолжительности релаксации и усилия прижима волновода приведены на рис. 8, а сводные данные для всех исследованных материалов - в табл. 3 и 4.

1 \ 2 АХ-3 А\4 1 - после шлифования; 2,3- после УЗ релаксации в течение ■ 1 мин с усилием прижима волновода соответственно 10 Н и 50 Н; 4,5- то же в течение 3 мин; б, 7-то же 8 мин

50 100 150

Глубина ПС й, мкм

200

Рис. 8. Распределение остаточных напряжений Оост в ПС образцов из стали ЗХЗМЗФ: Кк = 35 м/с, У„р - 10 м/мин, 5,юп - 4,2 мм/ход, йр = 0,01 мм/дв.х. Круг 1 -250x20x76 14А16НС17К11. СОЖ - 2 %-й раствор Синхо-2М. Режим УЗ релаксации: синусоидальные колебания, /= 1.8,6 кГц; А- 5 мкм

250

Таблица 3

Эффективность УЗ релаксации остаточных напряжений в ПС шлифованных образцов синусоидальными колебаниями без модуляции УЗ сигнала

Марка материала Эффективность* УЗ релаксации Е, %, в зависимости от ее продолжительности, мин

1 3 5 8 10

40Х 31/44** 49/63 55/68 68/68 68/68

95X18 32/44 46/60 60/60 60/60 60/60

ЗХЗМЗФ 36/50 59/82 75/82 82/82 82/82 .

Р18 36/49 61/70 70/73 72/73 73/73 .

ВТЗ-1 23/32 35/39 39/40 40/40 40/40

* Эффективность релаксации оценивали соотношением: Е =(1 - а/ст0)хЮО %, где ст, а0 -соответственно текущие и исходные (после шлифования) максимальные остаточные напряжения в ПС, МПа. ** В числителе - усилие прижима волновода 10 Н, в знаменателе - 50 Н.

Таблица 4

Эффективность УЗ релаксации и время стабилизации остаточных напряжений в ПС образцов в зависимости от формы сообщаемых колебаний

Марка материала Эффективность УЗ релаксации Е, % Время стабилизации остаточных напряжений, мин

НМ АМ ЧМ НМ АМ ЧМ

40Х . 68 82 89 5 6 6

95X18 60 77 81 3 5 6

ЗХЗМЗФ 82 86 92 3 5 6

Р18 73 86 88 5 6 7

ВТЗ-1 40 49 53 4 5 6

Как видно из рис. 8, УЗ релаксация обеспечила снижение остаточных напряжений до 5,5 раз (кривые 5, 6 и 7). По мере увеличения продолжительности релаксации уровень остаточных напряжений уменьшается, однако интенсивность этого уменьшения не одинакова: на первой минуте релаксации она максимальна, а к восьмой минуте снижается практически до нуля, и остаточные напряжения стабилизируются на определенном уровне. По-видимому, стабилизация остаточных напряжений связана с исчерпанием количества дислокаций, вовлеченных в процессы поглощения УЗК.

Качественно такой характер влияния продолжительности релаксации на распределение остаточных напряжений наблюдали и на образцах из других материалов (см. табл. 3). Примечательно, что во всех случаях увеличение усилия прижима не позволило стабилизировать остаточные напряжения на более низком уровне, но способствовало более ранней стабилизации (см. также рис. 8). При этом для всех исследованных материалов продолжительность релаксации более 8 минут нецелесообразна. Установлено также, что процесс УЗ релаксации

остаточных напряжений не сопровождается сколь-либо значимым изменением других показателей физико-механического состояния ПС.

Заметно уменьшить уровень стабилизации остаточных напряжений позволила модуляция колебаний, сообщаемых ПС образцов (см. табл. 4). По сравнению с синусоидальными колебаниями применение модулированных колебаний увеличило эффективность релаксации в среднем дополнительно на 10...21 % в зависимости от материала образцов. Как и ожидалось, наилучшие результаты зафиксированы при использовании частотно-модулированных колебаний. По результатам этих исследований предложен новый способ шлифования (патент РФ 2276004) с УЗ релаксацией формирующихся при этом растягивающих остаточных напряжений.

В этой же главе представлены результаты расчета (с использованием моделей, разработанных в главах 2 и 4, и полученных данных по эффективности УЗ релаксации) и экспериментального исследования технологического наследования остаточных напряжений в процессе изготовления вала при различных технологических маршрутах, в том числе с применением УЗ релаксации. Часть этих результатов в качестве примера приведена на рис. 9 и 10. Результаты исследования теплосиловой напряженности обработки (см. рис. 9) и остаточного напряженного состояния Г1С заготовок (см. рис. 10) при различных технологических маршрутах обработки вала подтвердили адекватность разработанных математических моделей реальным условиям обработки. Расхождение между расчетными и экспериментальными значениями остаточных напряжений не превышало 20 % как по их величине, так и по глубине распространения. Установлено, что УЗ релаксация является «барьером», препятствующим технологическому наследованию растягивающих напряжений, сформированных в тепло-нагруженном ПС. Включение в технологический процесс изготовления вала вслед за шлифованием операции УЗ релаксации (кривая 3 на рис. 10) уменьшило уровень растягивающих напряжений втрое.

технологических операциях при различных технологических маршрутах обработки: 1 - точение; 2 - шлифование; 3 - УЗ релаксация после шлифования; 4 - выглаживание после шлифования и УЗ релаксации; 5 - УЗ релаксация после шлифования, УЗ релаксации и выглаживания; 6 - выглаживание после шлифования; 7 — УЗ релаксация после шлифования и выглаживания

150 t МПа

Oocrc

50 0

"т.,., = 0,5 мм ^

Y

\ —г

0,05 0,10 мм 0,20

z«.r, - 25 мкм

я = 0,25 мм

'О 0,05 0,10 мм 0,20

Рис. 10. Изменение касательных технологических остаточных напряжений Сост* в технологическом процессе изготовления вала из стали 95X18: сплошные линии - эксперимент, штриховые - расчет. Номера кривых соответствуют номерам столбцов на рис. 9

0,05 0,10 0,15 мм й-*

Установлено также, что применение промежуточной УЗ релаксации в технологическом маршруте «шлифование - выглаживание» обеспечивает возможность формирования выглаживанием сжимающих остаточных напряжений, больших по абсолютной величине, даже при меньшем на 15...20 % усилии прижима выглаживагеля, что особенно важно при обработке нежестких и тонкостенных заготовок.

После выглаживания в ПС образцов формируются сжимающие остаточные напряжения на глубине до 150...200 мкм (см. рис. 10, кривые 4,6 и 6"). При этом у образцов, прошедших операцию УЗ релаксации шлифовочных остаточных напряжений (кривая 4), по сравнению с непрошедшими ее (кривые 6 и 6% выглаживание формирует до 1,5 раз большие по величине сжимающие напряжения. УЗ релаксация остаточных напряжений в выглаженных образцах способствовала снижению в 1,5...2 раза остаточных напряжений сжатия в ПС при одновременном увеличении глубины напряженного слоя (кривые 5 и 7 по сравнению с кривыми 6,6' и 4).

Направленно формировать остаточное напряженное состояние и качество ПС в целом можно путем последовательного или параллельного совмещения операций механической обработки, выполняемых в условиях тепловых ограничений, с поверхностным пластическим деформированием. При прочих равных условиях требуемое упрочнение ПС предпочтительнее создавать за счет минимально достаточного для этого силового воздействия, которое можно обеспе-

чивать за счет снижения внешнего и внутреннего трения в УЗ поле. Установлено, что, несмотря на обеспечиваемое некоторыми схемами совмещения более чем двукратное уменьшение силового воздействия на обрабатываемую поверхность, сжимающие остаточные напряжения в ПС образцов за счет совмещенной УЗ обработки распространяются на большую глубину. При этом наблюдается более равномерное распределение остаточных напряжений по глубине ПС без приповерхностного уменьшения их абсолютной величины.

В шестой главе дано описание новой УЗ техники для выполнения операций механической обработки, включающей УЗ устройства для подачи СОЖ в контактные зоны механической обработки, выглаживания и совмещенной (резанием и поверхностным пластическим деформированием) обработки заготовок, а также УЗ устройства для релаксации технологических остаточных напряжений. В этой же главе представлены результаты промышленных испытаний и внедрения разработок.

Так, применение новой УЗ техники подачи СОЖ на операциях шлифования в производстве ОАО «Автодизель» (г. Ярославль), ОАО «Автодеталь-Сервис» (г. Ульяновск), ЗАО «Кардан» (г. Сызрань) и ОАО «Спецоборудование» (г. Киров) за счет снижения теплосиловой напряженности обработки обеспечило увеличение периода стойкости абразивных кругов в 2...2,5 раза. По результатам испытаний технологии и техники УЗ глубокого сверления в производстве ЗАО «Авиастар-СП», ООО «Димитровградский инструментальный завод» (г. Димитровград) и ОАО «Спецоборудование» (г. Киров) зафиксировано двукратное уменьшение увода оси отверстий и увеличение периода стойкости сверл в 1,3... 1,8 раза при сокращении числа их поломок.

Выявлены основные источники и приведено экономическое обоснование эффективности использования разработок в производственных условиях. Установлено, что срок окупаемости новой УЗ техники не превышает 1,5 лет.

В заключении изложены основные результаты исследований и показаны пути дальнейшего их использования для совершенствования существующих и разработки новых технологий механической обработки заготовок.

В приложениях представлены: методика численного расчета нестационарного температурного поля системы «заготовка - инструмент» при механической обработке; описание программно-информационного комплекса для те-плофизического анализа технологических операций; методики численного расчета полей остаточных напряжений и температурных деформаций заготовки при механической обработке в условиях тепловых ограничений с использованием программно-вычислительного комплекса АШУБ; а также копии дипломов международных выставок и конкурсов, актов и справок по опытно-промышленным испытаниям и внедрению результатов диссертации.

Основные результаты и выводы

1. Обоснована и решена актуальная научная проблема повышения эффективности механической обработки посредством наложения модулированных

УЗК на СОЖ и инструмент, позволяющих увеличить проникающую способность СОЖ и улучшить теплообмен в зоне резания.

2. С целью оценки повышения эффективности методов механической обработки при наложении модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент в работе решены следующие теоретические и экспериментальные задачи:

- разработана математическая модель и методика численного анализа тепловых взаимодействий в системе объектов, контактирующих при механической обработке, путем совместного решения дифференциальных уравнений теплопроводности с общим граничным условием в зоне контакта;

- разработана математическая модель и методика численного моделирования движения и теплообмена потока СОЖ в пограничных слоях между обрабатываемой заготовкой и инструментом с наложением периодических знакопеременных управляющих воздействий;

- разработана экспериментальная методика количественной оценки проникающей способности СОЖ в капиллярно-пористом пространстве зоны резания под воздействием УЗК.

3. Полученное решение задачи теплопроводности взаимодействующих объектов в зоне резания при механической обработке с общим граничным условием позволяет априорно исключить определение теплового баланса в зоне контакта, что обеспечивает повышение достоверности и точности численного моделирования. Это является основой количественной оценки эффективности новых технологических решений с применением СОЖ и модулированных УЗК.

4. Теоретический анализ и экспериментальные проверки процесса теплообмена доказали, что частотная модуляция периодических воздействий позволяет интенсифицировать теплоотдачу в СОЖ в более широком диапазоне частот, что обеспечивает устойчивое управление процессом.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований УЗ интенсификации проникающей способности СОЖ в капиллярно-пористом пространстве контактной зоны механической обработки впервые получены значения коэффициента гидравлического сопротивления, что повышает точность расчета расхода СОЖ через зону обработки. Установлено, что модулированные колебания более эффективно снижают гидравлическое сопротивление СОЖ в капиллярно-пористом пространстве, способствуя многократному увеличению проникновения жидкости через зону обработки без увеличения ее общего расхода, и интенсифицирует ее охлаждающее и смазочное действие.

6. На основе численного моделирования тепловых процессов при механической обработке для случая наложения УЗК на СОЖ и режущий инструмент, установлена возможность увеличения производительности обработки по машинному времени более двух раз, не ухудшая качество обработки и периода стойкости инструмента.

7. В результате экспериментального исследования процесса релаксации растягивающих остаточных напряжений в ПС заготовки, формирующихся при механической обработке, установлена предпочтительность применения частотно-модулированных УЗК, что обеспечивает увеличение эффективности релаксации до 20 %.

8. Основные теоретические положения работы подтверждены результатами промышленных испытаний. Фактический совокупный годовой экономический эффект от внедрения разработанных в рамках выполнения диссертации новой УЗ техники и программно-информационного комплекса для теплофизи-ческого анализа составил 454 тысячи рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Механическая обработка заготовок в условиях критического тепломассопереноса. Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. М.: РАН, 2008. 250 с.

2. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ концентрированных операций шлифования. Ульяновск: Ул1ТУ, 2002. 140 с.

3. Ковальногов H.H., Ковальногов В.Н. Особенности численного интегрирования и условия устойчивости решения системы дифференциальных уравнений пограничного слоя, подверженного интенсивным воздействиям // Изв. вузов. Авиационная техника. 1996. № 1. С. 58-61.

4. Ковальногов H.H., Ковальногов В.Н., Надысева Е.Д. Управление турбулентным переносом в пограничном слое посредством наложенных периодических воздействий // Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. № 1. С. 49-53.

5. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Численное моделирование тепловых процессов при совмещенном шлифовании с применением ультразвуковой техники подачи СОЖ И Изв. вузов. Машиностроение. 2000. № 3. С. 65—71.

6. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Унянин А.Н. Ультразвуковая обработка СОЖ при шлифовании заготовок деталей И Автомобильная промышленность. 2001. №4. С. 37-38.

7. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Унянин А.Н. Эффективность применения новой ультразвуковой техники подачи СОЖ при совмещенном и фасонном шлифовании заготовок // Вестник машиностроения. 2001. № 1. С. 48-50.

8. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Тулисов А.Н. Повышение эффективности шлифования заготовок с помощью ультразвука // Автомобильная промышленность. 2001. № 9. С. 26-27.

9. Ковальногов H.H., Ковальногов В.Н. Программно-информационный комплекс для анализа теплового состояния лопаток турбомашин // Известия вузов. Авиационная техника. 2003. № 3. С. 36-39.

10. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Яшин A.A. Ультразвуковая релаксация технологических остаточных напряжений в шлифованных деталях // СТИН. 2006. № 1.С. 18-21.

11. Ковальногов В.Н., Михайлин С.М. Теплофизический анализ как основа проектирования композиционных шлифовальных кругов // Изв. вузов. Машиностроение. 2006. № 3. С. 53-65.

12. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Яшин A.A. Применение ультразвуковой техники подачи СОЖ для повышения эффективности плоского шлифования с непрерывной правкой круга // СТИН. 2006. № 10. С. 33-36.

13. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Степчева З.В. Использование ультразвука при обработке заготовок шлифованием и алмазным выглаживанием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 8. С. 43-53.

14. Ковальногов В.Н. Минимизация расхода СОЖ при шлифовании с ультразвуком // Справочник. Инженерный журнал. 2007. № 7. С. 17-21.

15. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Коршунов В.А. Тепловая напряженность и эффективность плоского торцового шлифования с применением в качестве СОТС ионизированного воздуха // Вестник машиностроения. 2007. № 8. С. 59-61.

16. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Коршунов В.А. Технологическое обеспечение качества деталей с биметаллическими поверхностными слоями в процессе механической обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 3. С. 29-33.

17. Ковальногов В.Н. Алмазное выглаживание с малым силовым воздействием на обрабатываемую поверхность // СТИН. 2009. № 4. С. 36-39.

18. Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2146601 РФ. / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, Д.Г.Нечаев, В.Н. Ковальногов. № 98117012/02; заявл. 11.09.1998; опубл. 20.03.2000. Бюл. № 8.

19. Способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2151044 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, В.И. Деревянко, В.Н. Ковальногов, A.B. Семенов. № 98103610/02; заявл. 27.02.1998; опубл. 20.06.2000. Бюл. № 17.

20. Способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2152297 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, A.B. Семенов, В.Н. Ковальногов, В.И. Деревянко. № 98116975/02; заявл. 11.09.1998; опубл. 10.07.2000. Бюл. № 19.

21. Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2157311 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, В.Н. Ковальногов, Д.Е. Нечаев. № 99112374/02; заявл. 11.06.1999; опубл. 10.10.2000. Бюл. № 28.

22. Устройство для непрерывной правки шлифовального круга: пат. 2164855 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, А.Н. Тулисов, С.Е. Королев, В.Н. Ковальногов. № 99124134/02; заявл. 16.11.1999; опубл. 10.04.2001. Бюл. № 10.

23. Способ шлифования: пат. 2276004 РФ / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов, М.А. Чудинов. № 2004129025/02; заявл. 01.10.2004; опубл. 10.05.2006. Бюл. № 13.

24. Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости при обработке отверстий малого диаметра: пат. 2279963 РФ / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов, М.В. Табеев. № 2005103997/02; заявл. 15.02.2005; опубл. 20.07.2006. Бюл. № 20.

25. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке отверстий малого диаметра: пат. 2284878 РФ / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов, М.В. Табеев. № 2005103998/02; заявл. 15.02.2005; опубл. 10.10.2006. Бюл. № 28.

26. Способ создания регулярного микрорельефа на цилиндрических заготовках: пат. 2329131 РФ / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов, З.В. Степчева. № 2006128858/02; заявл. 08.08.2006; опубл. 20.07.2008. Бюл. № 20.

27. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Моделирование теплового состояния контактирующих объектов при совмещенном шлифовании с применением СОЖ // Труды IV Минского международного форума по тепломасообмену. Минск. 2000. Т. 3. С. 359-363.

28. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Аналитическое исследование тепловых взаимодействий контактирующих объектов при шлифовании заготовок деталей машин / Е.С. Киселев // Вестник инженерной академии Украины: международный сборник научных трудов. Киев. 2001. № 3. С. 407-410.

29. Kovalnogov N.N., Kovalnogov V.N. The methods and the software of modeling of non-stationary spatial temperature fields in the system of rotated bodies at their mechanical interaction // Proc. of the 19-th International Congress on FEM Technology. Berlin, 2001. Vol. 2. Russian Science & Technology. 7 p.

30. Киселев E.C., Ковальногов В.Н., Табеев М.В. Модель теплосилового взаимодействия заготовки и инструмента при глубоком сверлении с применением СОЖ и наложением ультразвука // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сборник научных трудов. Донецк. 2003. Вып. №25. С. 172-177.

31. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Табеев М.В. Моделирование и численное исследование теплосилового взаимодействия заготовки и инструмента при глубоком сверлении с применением смазочно-охлаждающей жидкости и наложением ультразвука // Труды V Минского международного форума по тепломассообмену. Минск. 2004. Т. 2. С. 376-378.

32. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ операций механической обработки, выполняемых в условиях стесненного тепломассопе-реноса // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XI международной научно-технической конференции. Донецк. 2004. Т. 2. С. 72-76.

33. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Повышение эффективности операций отделочной технологии механической обработки валков прокатных станов на основе использования энергии ультразвукового поля // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XI международной научно-технической конференции. Донецк. 2004. Т. 2. С. 68-72.

34. Киселев B.C., Ковальногов В.Н. Особенности моделирования состояния поверхностного слоя заготовки, формируемого при механической обработке в условиях интенсивного тепломассопереноса // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XIII международной научно-технической конференции. Донецк. 2006. Т. 2. С. 139-145.

35. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Реализация потенциала функциональных действий СОЖ при механической обработке на основе рационального применения ультразвука // Вестник двигателестроения. 2007. № 2. С. 112-117.

36. Ковальногов В.Н. Эффективность комбинированной обработки прецизионных валов точением и алмазным выглаживанием // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сборник научных трудов. Донецк. 2007. Вып. 34. С. 109-114.

37. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Лобская Е.И. Ресурсосберегающее технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей транс-

порта при высокопроизводительной механической обработке // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XV международной научно-технической конференции. Донецк. 2008. Т. 2. С. 86-89.

38. Ковальногов В.Н. К вопросу определения достаточного расхода сма-зочно-охлаждающей жидкости через зону механической обработки // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XV международной научно-технической конференции. Донецк. 2008. Т. 2. С. 96-101.

39. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Горностаев В.В. Математическая модель теплосилового взаимодействия заготовки и инструмента при резьбонаре-зании в маломерных отверстиях // Современные проблемы машиностроения и транспорта: материалы всероссийской научно-технической конференции. Ульяновск. 2003. С. 153-156.

40. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Яшин A.A. К вопросу о формировании остаточных напряжений в поверхностных слоях шлифованных заготовок // Процессы абразивной обработки. Абразивные инструменты и материалы «Шлифабразив-2004»: сборник трудов международной научно-технической конференции. Волжский. 2004. С. 118-122.

41. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Табеев М.В. Использование ультразвука для усиления проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий // Вестник УлГТУ. 2004. № 2. С. 33-36.

42. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Норкин A.A. Новые методы ультразвуковой стабилизации остаточных напряжений в прецизионных шлифованных деталях технологических машин П Динамика технологических машин: труды VII международной научно-технической конференции. Саратов. 2004. С. 192-196.

43. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ технологических процессов механической обработки как основа обеспечения производительности и качества выпускаемой продукции // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: труды всероссийской научно-технической конференции. Тольятти. 2005. С. 108-110.

44. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Научные основы и технология шлифования заготовок: сборник учебно-исследовательских лабораторных работ. Ульяновск: УлГТУ. 2006. 52 с.

45. Ковальногов, В.Н., Малышев Д.Н., Степчева З.В. Снижение силовой напряженности алмазного выглаживания за счет совмещения с обработкой резанием // В сб.: Материаловедение и технология конструкционных материалов- важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки. Волжский: ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ. 2007. С. 224-227.

46. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Коршунов В.А. Технологическое наследование остаточных напряжений в процессе обработки вала с применением ультразвука // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики: материалы международной научно-технической конференции. Казань. 2007. С. 93-97.

47. Ковальногов В.Н., Полуэктов Ю.А. Исследование термических деформаций при сверлении группы высокоточных отверстий // Вестник УлГТУ. 2007. № 4. С. 45-48.

48. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Научные основы и технология применения смазочно-охлаждающих технологических средств при механической обработке: сборник учебно-исследовательских лабораторных работ. Ульяновск: УлГТУ. 2008. 57 с.

49. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Использование теплофизического анализа для оценки возможностей форсирования производительности глубокого сверления маломерных отверстий // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: труды II международной научно-технической конференции. Ч. 1. Тольятти. 2008. С. 293-297.

50. Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ технологических операций механической обработки как основа реализации концепции «СОТС разового действия» // Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении: труды II международной научно-технической конференции. Ч. 1. Тольятти. 2008. С. 297-304.

51. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Ультразвуковое снятие технологических остаточных напряжений // Техномир. 2008. № 2 (38). С. 44-45.

52. Ковальногов В.Н. Новые ультразвуковые технологии для снятия технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях шлифованных деталей // Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки: материалы международной научно-технической конференции. Ростов-на-Дону. 2008. С. 113-118.

53. Киселев Б.С., Ковальногов В.Н., Коршунов В.А. К вопросу назначения технологических условий механической обработки заготовок с наплавленными поверхностными слоями или металлопокрытиями // Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки: материалы международной научно-технической конференции. Ростов-на-Дону. 2008. С. 145-150.

54. Ковальногов В.Н. Методология моделирования и исследование тепловых взаимодействий контактирующих объектов при механической обработке в ультразвуковом поле // Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений: материалы международной научно-технической конференции. Рыбинск. 2009. Ч. 1. С. 69-74.

55. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ как основа повышения эффективности глубокого сверления группы отверстий с применением ультразвука // Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений: материалы международной научно-технической конференции. Рыбинск. 2009. Ч. 1. С. 79-84.

Подписано в печать 29.06.2011. Формат 60><84 1/16. Усл. печ. л. 2,00. Тираж 100 экз. Заказ 719.

Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д.

Список основных сокращений и условных обозначений

Введение.

Глава 1. Проблема научного и технологического обеспечения эффективности механической обработки заготовок. Объект, цель и задачи исследований.

1.1. «Тепловой барьер» как главный фактор, лимитирующий производительность механической обработки

1.2. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя заготовки при механической обработке, выполняемой в условиях тепловых ограничений.

1.3. Роль СОЖ в современном технологическом обеспечении качества и производительности механической обработки

1.4. Применение ультразвука для повышения эффективности механической обработки

1.5. Проблема прогнозирования теплового взаимодействия в системе контактирующих при механической обработке объектов.

1.6. Выводы. Объект, цель и задачи исследований

Глава 2. Основные принципы моделирования теплосилового взаимодействия объектов, контактирующих при механической обработке.

2.1. Базовая математическая модель теплосилового взаимодействия заготовки и инструмента при механической обработке

2.2. Адаптация базовой модели применительно к характерным технологическим операциям механической обработки, выполняемым в условиях тепловых ограничений

2.3. Адекватность предложенных теплофизических моделей.

2.4. Выводы.

Глава 3. Моделирование и исследование движения и теплоотдачи СОЖ при механической обработке с наложением модулированных управляющих воздействий на СОЖ и режущий инструмент

3.1. Движение и теплоотдача к СОЖ при использовании ультразвуковой техники ее подачи в зону обработки.

3.2. Гидродинамика СОЖ в капиллярно-пористом пространстве зон механической обработки при использовании ультразвука для интенсификации ее движения.

3.3. Силовая напряженность и трение в зонах механической обработки с применением ультразвука

3.4. Уточнения базовой модели теплосилового взаимодействия объектов при механической обработке, учитывающие влияние воздействия модулированными ультразвуковыми колебаниями

3.5. Выводы.

Глава 4. Численное моделирование и исследование тепловых ограничений при механической обработке с воздействием на

СОЖ и режущий инструмент модулированными ультразвуковыми колебаниями.

4.1. Базовая методика численного исследования

4.2. Шлифование с применением ультразвуковой техники подачи

4.3. Глубокое сверление с ультразвуковой активацией СОЖ и элементов технологической системы

4.4. Эффективность защиты поверхностных слоев заготовки и режущего инструмента от термомеханических воздействий при механической обработке с дозированным применением СОЖ

4.5. Выводы

Глава 5. Технологическое обеспечение качества поверхностных слоя заготовки при механической обработке заготовок с применением ультразвука

5.1. Комплекс физических и математических моделей формирования свойств теплонагруженных поверхностных слоев заготовок при механической обработке

5.2. Моделирование и исследование закономерностей технологического наследования остаточных напряжений в поверхностном слое с учетом их ультразвуковой релаксации.

5.3. Моделирование и исследование термических деформаций заготовок и точности механической обработки.

5.4. Выводы.

Глава 6. Технико-экономическая эффективность и использование разработок в промышленности.

6.1. Новые технологии и техника для механической обработки заготовок в ультразвуковом поле

6.2. Результаты использования разработок соискателя

6.3. Расчет экономической эффективности новых технологий и техники

6.4. Выводы.

Технологическое обеспечение качества и повышение конкурентоспособности продукции машиностроения, являющиеся залогом устойчивого роста национальной экономики, неразрывно связаны с переходом на «высокие» технологии, отличающиеся интенсификацией производительности механической обработки, которая, по оценкам экспертов, в первой четверти нашего столетия должна вырасти вдвое [56]. Как правило, увеличение производительности обработки сопряжено с ростом теплообразования в зоне резания и увеличением тепловой нагрузки на поверхностные слои (ПС) заготовки и режущего инструмента, которая, в свою очередь, лимитирует период стойкости инструмента и качество обработанных деталей. Поэтому эффективная реализация всех потенциальных возможностей механической обработки возможна лишь в условиях максимально допустимой (критической) тепловой нагрузки на ПС взаимодействующих при обработке объектов.

Качество машиностроительной продукции в значительной степени определяется физико-механическим состоянием ПС деталей машин, которое формируется в процессе их изготовления (особенно на заключительных его операциях) в результате сложного термомеханического взаимодействия заготовки, режущего инструмента, стружки, а также технологической (смазочно-охлаждающей) и окружающей сред в контактных зонах механической обработки. Поэтому для выпуска конкурентоспособной продукции современные процессы изготовления деталей машин должны включать технологические методы и приемы, обеспечивающие возможность направленного формирования качества ПС. В ряде случаев, особенно при изготовлении прецизионных деталей возникла необходимость разработки новых технологических методов и приемов (как правило, на основе концентрации физических принципов воздействия на объект обработки), препятствующих технологическому наследованию изменений, внесенных в теплонагруженный ПС. Активно развивающееся в последние десятилетия новое в технологии машиностроения направление «инженерия поверхности» [169,- 171, 172], предусматривающее изменение физико-механических и химических свойств ПС путем деформирования, модифицирования, нанесения пленок, покрытий или защитных слоев, не снижает, но, напротив, ужесточает требования к качеству ПС, формируемому механической обработкой как предшествующей, так и последующей.

Особую остроту научная проблема технологического обеспечения эффективности механической обработки и заданного качества ПС деталей машин приобретает, если тепломассоперенос из зоны резания ограничен, и интенсивное теплообразование не компенсируется адекватным отводом теплоты. Избыточный тепловой поток, концентрирующийся в ПС заготовки, становится определяющим фактором в формировании его качества, способствуя нежелательным структурно-фазовым изменениям, выгоранию модифицирующих компонентов, отслоению покрытий, термопластическим деформациям, разупрочнению ПС и образованию в нем растягивающих остаточных напряжений, что в результате приводит к быстрой потере работоспособности детали даже при умеренных эксплуатационных нагрузках. Аналогичное воздействие избыточный тепловой поток, концентрирующийся в ПС режущего инструмента, оказывает на работоспособность и стойкость последнего.

Наиболее эффективным средством защиты ПС заготовки и инструмента от деструктивных термомеханических воздействий в зоне обработки были и остаются смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), находящиеся в исходном твердом, пластичном, жидком, газообразном состоянии и искусственно вводимые в зону механической обработки [160]. Наибольшее применение на практике получили СОТС в исходном жидком состоянии, обозначаемые термином «смазочно-охлаждающие жидкости» (СОЖ)1. До настоящего времени многие вопросы повышения производительности обработки, обеспечения стойкости режущего инструмента и качества обработанных деталей традиционно решали экстенсивно, путем увеличения расхода подаваемой СОЖ.

1 ГОСТ Р 51779-2001. Жидкости смазочно-охлаждающие в процессах механической обработки. Термины и определения. М., 2001. 10 с.

В современных условиях стремление к увеличению производительности механической обработки входит в противоречие с все большим ухудшением условий тепломассопереноса из зон контакта режущего инструмента с заготовкой, которое обусловлено следующими новыми обстоятельствами.

Во-первых, стремлением к применению СОЖ при механической обработке в ограниченном (вплоть до обработки всухую) количестве. Ограничение применения СОЖ обусловлено, с одной стороны, значительной долей затрат на СОЖ в себестоимости продукции машиностроения (до 17 %, что вчетверо больше затрат на режущий инструмент), а с другой - ужесточением требований к экологической чистоте промышленных производств (одним из основных загрязнителей окружающей среды являются именно СОЖ) [4, 212].

Второе обстоятельство состоит в увеличении доли деталей машин (особенно летательных аппаратов, судов и автомобилей), изготавливаемых из материалов с повышенными эксплуатационными свойствами и одновременно неблагоприятным с позиции обрабатываемости сочетанием теплофизиче-ских характеристик (теплопроводности, температуропроводности, теплоемкости). К таким материалам относятся высокопрочные, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные стали и сплавы, титановые сплавы, сплавы с памятью, композиционные материалы и др. Так, по зарубежным данным, уже к концу прошлого столетия доля изделий из титановых сплавов в продукции авиационной промышленности достигла 50 %, а в автомобилестроении при/ близилась к 25 % [120]. Отвод теплоты, образующейся при механической обработке заготовок из таких материалов, существенно ограничен их особыми теплофизическими свойствами, что часто приводит к образованию дефектов в ПС обработанных деталей и способствует быстрой потере работоспособности применяемого режущего инструмента.

Третье обстоятельство состоит в затруднении отвода образующейся теплоты вместе со стружкой как в связи с развитием ресурсосберегающих технологий получения заготовок, обеспечивающих максимальное приближение их формы к форме готовых деталей (а значит и уменьшение тепломассопереноса в стружку), так и в связи с переориентацией на высокоскоростное резание, сопряженное с уменьшением толщины срезаемых слоев.

Перечисленные обстоятельства обостряют тепловые ограничения в зонах выполнения современных операций механической обработки. В связи с тенденцией к ограниченному применению СОЖ обозначилась также необходимость в организации эффективной тепловой защиты ПС контактирующих при механической обработке объектов как на основе интенсификации функциональных действий СОЖ, подаваемых в минимально необходимом* колиI честве, так и за счет альтернативных технических и технологических решений, в частности, рационального применения ультразвука.

С учетом того, что эффективная реализация механической обработки достигается при экстремальных тепловых нагрузках на ПС взаимодействующих объектов, научной основой такой реализации должна стать принципиально новая методология анализа тепловых взаимодействий, отличающаяся высокой точностью, ориентированностью на аналитический и имитационный подходы в решении взамен эмпирического, адекватным отражением существующих тенденций технического прогресса в машиностроении, а также адаптируемостью к новым «высоким» технологиям.

Поэтому тема работы, направленная на исследование и разработку методов повышения эффективности механической обработки рациональным использованием энергии ультразвуковых колебаний (УЗК), является актуальной.

Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в составе НИР 205.03.01.011 «Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей автомобилей при высокопроизводительном шлифовании в процессах изготовления и ремонта» (2001 - 2002 гг.), НИР 205.03.01.003 «Технологическое обеспечение заданных эксплуатационных характеристик деталей наземных транспортных средств в процессах экологически чистого изготовления и ремонта» (2003 — 2004 гг.) и НИР 09.01.003 «Новые ультразвуковые ресурсосберегающие технологии механической обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов в машино- и приборостроении» (2003 — 2004 гг). Выполненные исследования поддержаны грантом Президента РФ по проекту № МК-2423.2008.8 «Ресурсосберегающее технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей транспортных, авиационных и космических систем при высокоскоростном формообразовании в процессе изготовления путем рационального применения ультразвука» (2008 — 2009 гг.), грантами Российского фонда фундаментальных исследований по проектам № 08-08-00200-а «Теплообмен в системе механически взаимодействующих объектов в условиях дозированной подачи в контактную зону смазочно-охлаждающей среды» (2008 - 2010 гг.) и № 09-08-97003-р «Разработка атермической технологии релаксации остаточных напряжений в шлифованных деталях машин и сварных металлоконструкциях на основе применения ультразвука» (2009 — 2010 гг.) и грантом Минобразования РФ на развитие приборной базы научных исследований подведомственных вузов (приказ № 1002 от 17.03.2003 г.).

Цель работы — повышение эффективности механической обработки заготовок за счет рационального применения ультразвука для минимизации теплообразования в зоне резания, интенсификации теплоотвода в СОЖ, а также для воздействия на процесс технологического наследования остаточных напряжений в теплонагруженном ПС.

Объектол1 настоящего исследования является ПС, формируемый и наследуемый на операциях механической обработки, выполняемых с наложением УЗК на СОЖ и режущий инструмент.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, полученные при достижении поставленной цели и выносимые автором на защиту:

1. Математические модели и результаты моделирования движения и теплообмена в пограничном слое потока СОЖ с наложением периодических знакопеременных управляющих воздействий, в том числе модулированных УЗК.

2. Математические модели и результаты исследования интенсификации проникающей способности СОЖ в контактные зоны механической обработки путем наложения модулированных УЗК, а также новые методы (способы) (патенты РФ 2151044, 2152297) и реализующие их устройства (патенты РФ 2146601, 2157311, 2279963, 2284878) для подачи СОЖ.

3. Математические модели и результаты исследования тепловых взаимодействий объектов, контактирующих при выполнении операций механической обработки с наложением УЗК на СОЖ и инструмент.

4. Результаты исследования формирования остаточных напряжений в ПС заготовок при механической обработке, выполняемой с наложением модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент, и процесса УЗ релаксации технологических остаточных напряжений, а также новые способы шлифования (патент РФ 2276004) и выглаживания (патент РФ 2329131) с применением ультразвука.

Практическую полезность составляют:

1. Разработанный программно-информационный комплекс для тепло-физического анализа технологических операций механической обработки заготовок и прогнозирования эффективности различных технологических методов и приемов тепловой защиты ПС с учетом управляющих воздействий ультразвуком.

2. Методики определения проникающей способности СОЖ и коэффициентов ее гидравлического сопротивления в капиллярно-пористом пространстве зон резания в условиях УЗ воздействий.

3. Новые УЗ технологии и техника упрочнения теплонагруженных ПС и релаксации технологических остаточных напряжений, способы шлифования (патент РФ 2276004) и выглаживания (патент РФ 2329131), способы и реализующая их техника подачи СОЖ в зоны шлифования, глубокого сверления и внутреннего резьбонарезания с наложением модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент (патенты РФ 2146601, 2151044, 2152297, 2157311, 2279963, 2284878).

Диссертация состоит из шести глав и имеет следующую структуру.

В первой главе дана оценка современного состояния проблемы научного и технологического обеспечения качества ПС деталей машин и эффективности механической обработки в контексте современных тенденций технического прогресса в машиностроении, поставлена цель и сформулированы задачи исследования. Проанализированы работы отечественных (В.И. Аверчен-ков, А.П. Бабичев, В.Ф. Безъязычный, И.А. Биргер, А.Г. Бойцов, H.H. Дави-денков, A.M. Дальский, И.В. Дунин-Барковский, Д.Г. Евсеев, В.В. Ефимов, Е.С. Киселев, A.B. Королев, Б.А. Кравченко, И.В. Крагельский, А.И. Марков, E.H. Маслов, A.A. Маталин, Н.В. Носов, A.B. Подзей, В.Н. Подураев,

A.Н. Резников, Э.В. Рыжов, А.Н. Сальников, С.С. Силин, В.М. Смелянский,

B.К. Старков, A.A. Суворов, A.M. Сулима, А.Г. Суслов, JT.B. Худобин, П.С. Чистосердов, A.B. Якимов, П.И. Ящерицын и др.) и зарубежных (А. Адамсон, JI. Бергман, Ф. Боуден, В. Кениг, Д. Кумабэ, С. Малкин, Д. Тейбор, Т. Хасикадо и др.) ученых, логическим продолжением которых стало настоящее исследование.

Вторая глава посвящена разработке принципов моделирования и построению математических моделей теплового взаимодействия инструмента и заготовки в процессе механической обработки. Разработаны базовая математическая модель и условия однозначности, адаптирующие ее применительно к ряду характерных технологических операций, эффективная реализация которых невозможна без применения СОЖ (шлифование, глубокое сверление отверстий малого диаметра, внутреннее резьбонарезание, выглаживание).

В основу разработок положен принцип системного теплофизического анализа путем решения системы дифференциальных уравнений теплопроводности каждого из взаимодействующих при механической обработке объектов (заготовки и инструмента) в трехмерной нестационарной постановке с общим граничным условием в зоне контакта. В отличие от традиционных подходов, использование системного принципа и общего граничного условия зоны контакта исключает необходимость априорного определения долей теплоты, отводимых из зоны контакта в объекты системы, что обеспечивает повышенную достоверность и точность моделирования.

В заключительной части главы приведены результаты экспериментальной проверки адекватности теоретических разработок путем сопоставления результатов численного моделирования теплового состояния взаимодействующих при обработке объектов с результатами измерения методом полуискусственной термопары.

Третья глава посвящена уточнению базовой математической модели с учетом влияния прогрессивных методов и приемов технологического воздействия на теплосиловую напряженность обработки путем наложения модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент. Закономерности влияния ультразвука на теплообразование и теплоотдачу в анализируемой системе объектов учтены полученными аналитически и экспериментально условиями однозначности.

Разработанные принципы моделирования, математические модели и условия однозначности положены в основу программно-информационного комплекса для расчета трехмерных нестационарных температурных полей в заготовке и инструменте при механической обработке. Программно-информационный комплекс обеспечивает возможность автоматизированного интерактивного определения размеров и формы взаимодействующих объектов и зоны контакта, траектории их взаимного перемещения в процессе обработки, теплофизических свойств инструментального и обрабатываемого материалов и СОЖ (в том числе в зависимости от температуры), режима теплообмена в зоне контакта и на поверхностях анализируемой системы по заданным пользователем технологическим условиям обработки, включая параметры УЗ воздействий.

В четвертой главе представлены результаты теоретико-экспериментальных исследований и численного моделирования с помощью разработанного программно-информационного комплекса пороговых условий тепло-массопереноса, при которых наиболее производительно обеспечивается заданный температурный режим обработки. Целью этих исследований было выявление технологических возможностей и определение технологической эффективности различных методов и средств защиты ПС от необратимого термомеханического воздействия при ресурсосберегающем применении СОЖ. Условия тепломассопереноса, ограничивающие производительность обработки, определяли по результатам выполнения серии имитационных расчетов, в которой варьировали значениями элементов режима обработки (определяющими интенсивность съема материала) и управляющими параметрами технологических условий: параметрами техники подачи и составом жидких и газообразных смазочно-охлаждающих технологических средств; параметрами УЗ воздействий, сообщаемых технологической системе и СОЖ; параметрами техники стабилизации и восстановления режущей способности инструмента и др.

В этой же главе приведены алгоритм и результаты численного определения расхода СОЖ, минимально достаточного для обеспечения защиты ПС заготовки от термомеханического воздействия в зоне обработки с применением ультразвука, а также результаты исследования возможностей и условий замены СОЖ на операциях шлифования ионизированным воздухом и аэрозолями.

В пятой главе сформулированы теоретические основы технологического обеспечения качества теплонагруженных ПС заготовок при механической обработке, использующие результаты моделирования теплосилового взаимодействия в технологической системе (по главам 2 и 3) и включающие комплекс физических и математических моделей и алгоритмов расчета для прогнозирования физико-механического состояния ПС (по параметрам технологических остаточных напряжений, глубины и степени упрочнения, термических деформаций), формирующегося в условиях тепловой нагрузки при механической обработке.

В этой же главе представлены результаты моделирования и исследования закономерностей технологического наследования изменений (прежде всего, растягивающих остаточных напряжений, негативно влияющих на эксплуатационные свойства деталей машин), внесенных в теплонагруженные при механической обработке ПС заготовок. Приведены результаты теоретико-экспериментального исследования процесса УЗ релаксации технологических остаточных напряжений, в том числе с использованием модулированных колебаний, а также результаты исследования технологической эффективности УЗ релаксации при различных технологических маршрутах последующей обработки.

В заключительной части главы приведены результаты экспериментальной проверки адекватности теоретических разработок с использованием современных методик неразрушающего измерения остаточных напряжений.

Последняя, шестая глава диссертации посвящена технико-экономической эффективности использования результатов исследований и конструкторских разработок в промышленности. В ней дано описание предлагаемой к внедрению в промышленности новой ресурсосберегающей техники, обеспечивающей повышение эффективности механической обработки в условиях тепловых ограничений и включающей устройства для подачи СОЖ в контактные зоны механической обработки, для реализации УЗ технологий глубокого сверления отверстий малого диаметра и внутреннего резьбонареза-ния, выглаживания с созданием регулярных микрорельефов и совмещенной (резанием и поверхностным пластическим деформированием) обработки заготовок, а также устройства для релаксации технологических остаточных напряжений. Приведены результаты исследования ее технологической эффективности, выявлены основные источники и структура составляющих экономического эффекта и приведено экономическое обоснование использования разработок соискателя в производственных условиях.

В заключении изложены основные результаты исследований и показаны пути дальнейшего использования полученных результатов для совершенствования существующих и создания новых технологий механической обработки заготовок.

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

Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Е.С. Киселеву за помощь и поддержку в многолетней работе.

Общие выводы и заключение

1. Обоснована и решена актуальная научная проблема повышения эффективности механической обработки посредством наложения модулированных УЗК на СОЖ и инструмент, позволяющих увеличить проникающую способность СОЖ и улучшить теплообмен в зоне резания.

2. С целью оценки повышения эффективности^ методов механической обработки при наложении модулированных УЗК на СОЖ и режущий инструмент в работе решены следующие теоретические и экспериментальные задачи: к

- разработана математическая модель и методика численного анализа тепловых взаимодействий в системе объектов, контактирующих при механической обработке, путем совместного решения дифференциальных уравнений теплопроводности с общим граничным условием в зоне контакта;

- разработана математическая модель и методика численного моделирования движения и теплообмена потока СОЖ в пограничных слоях между обрабатываемой заготовкой и инструментом с наложением периодических знакопеременных управляющих воздействий;

- разработана экспериментальная методика количественной оценки проникающей способности СОЖ в капиллярно-пористом пространстве зоны резания под воздействием УЗК.

3. Полученное решение задачи теплопроводности взаимодействующих объектов в зоне резания при механической обработке с общим граничным^ условием позволяет априорно исключить определение теплового баланса в зоне контакта, что обеспечивает повышение достоверности и точности численного моделирования. Это является основой количественной оценки эффективности новых технологических решений с применением СОЖ и модулированных УЗК.

4. Теоретический анализ и экспериментальные проверки процесса теплообмена доказали, что частотная модуляция периодических воздействий позволяет интенсифицировать теплоотдачу в СОЖ в более широком диапазоне частот, что обеспечивает устойчивое управление процессом.

5. На основе теоретических и экспериментальных исследований УЗ интенсификации проникающей способности СОЖ в капиллярно-пористом пространстве контактной зоны механической обработки впервые получены значения коэффициента гидравлического сопротивления, что повышает- точность расчета расхода СОЖ через зону обработки. Установлено, что модулированные колебания более эффективно, снижают гидравлическое сопротивление СОЖ в капиллярно-пористом пространстве, способствуя многократному увеличению проникновения жидкости через зону обработки без увеличения ее общего расхода, и интенсифицирует ее охлаждающее и смазочное действие.

6. На основе численного моделирования тепловых процессов при механической обработке для случая наложения УЗК на СОЖ и режущий инструмент, установлена возможность увеличения производительности обработки по машинному времени более двух раз, не ухудшая качество обработки и периода стойкости инструмента.

7. В результате экспериментального исследования процесса релаксации растягивающих остаточных напряжений в ПС заготовки, формирующихся при механической обработке, установлена предпочтительность» применения частотно-модулированных УЗК, что обеспечивает увеличение эффективности релаксации до 20 %.

8. Основные теоретические положения работы подтверждены результатами промышленных испытаний. Фактический совокупный, годовой экономический эффект от внедрения разработанных в рамках выполнения диссертации новой УЗ техники и программно-информационного комплекса для те-плофизического анализа составил 454 тысячи рублей.

1. Аверченков В.И., Федоров В.П. Компьютерные системы обработки иконтроля качества поверхностного слоя деталей машин // Инженерияповерхности. Приложение № 8 к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2002: № 8. С. 16 20.

2. Аскинази А.Е., Гатовский М.Б., Черпаков Б.И. СОЖ и методы обеспечения экологической безопасности при механической обработке // СТИН. 1998. №10. С. 34 -39.

3. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. М-: Машиностроение, 1989; 197 с.

4. Бабей Ю.И. Физические основы импульсного упрочнения стали и чугуна. Киев: Наукова думка, 1988. 238 с.

5. Бабичев А.П; Вибрационная обработка деталей. М:: Машиностроение, 1974.136 с.

6. Басов К.А. ANSYS: Справочник пользователя. М;: ДМК Пресс, 2005. 640 с:

7. Безъязычный В.Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 4. С. 9 17.

8. Безъязычный В.Ф., Скитева Т.А. Влияние температурных деформаций детали и резца на точность обработки машин // Вестник машиностроения. 1993. № 5-6. С. 17 19.

9. Безъязычный В.Ф., Кожина Т.Д., Чистяков Ю.П. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей. М.: Изд-во МАИ, 1992. 183 с.

10. Безъязычный В.Ф. Проблемы совершенствования технологических процессов механической обработки деталей высокоточных узлов и изделий // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2003. № 7. С. 2 11.

11. Безъязычный В.Ф. Управление процессом обработки для обеспечения качества поверхностного слоя // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2002. № 9. С. 14—16.

12. Белов C.B. Пористые материалы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. 248 с.

13. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Иностранная литература, 1957. 728 с.

14. Берсудский A.JT. Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий: автореф. дис. . докт. техн. наук. Саратов. 2008. 36 с.

15. Берштейн M.JI. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1986. 596 с.

16. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М: Машгиз, 1963. 205 с.

17. Бирюков Б.Н. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки. М.: Машиностроение, 1981. 128 с.

18. Бурлаченко О.В. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств сопряжений оборудования на основе системы комплексных воздействий: дис. . докт. техн. наук. Саратов. 2004. 354 с.

19. Васин С.А., Верещака A.C., Кушнер B.C. Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.448 с.

20. Вагапов И.К. Нелинейные эффекты в ультразвуковой обработке. Минск: Наука и техника, 1987. 159 с.

21. Вероман В.Ю. Метод измерения амплитуды и исследования формы колебаний ультразвуковых инструментов // Ультразвуковая техника. 1964. №4. С. 20-24.

22. Волков С.А. Технико-экономическое обеспечение заданных эксплуатационных свойств деталей машин // Инженерия поверхности. Приложение № 7 к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2003. № 7. С. 17 — 20.

23. Воронцов A.JL, Султан-заде Н.М., Альбагичиев А.Ю. Новая теория резания // Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2007. № 9. 24 с.

24. Гершгал Д.А., Фридман В.М. Ультразвуковая технологическая аппаратура. М.: Энергия. 1976. 320 с.

25. Глебов С.Ф. Теория наивыгоднейшего резания металлов. M.-JL: ОНТИ, 1936. 84 с.

26. Глузман A.JI. Исследование эффективности магнитной и ультразвуковой активации СОЖ при алмазно-эльборовом шлифовании деталей из сталей и специальных сплавов: дис. канд. техн. наук. Ульяновск. 1976. 229 с.

27. Годлевский В.А. Повышение эффективности и качества обработки материалов резанием путем управления смазочным действием СОТС: дис. докт. техн. наук. Иваново. 1995. 556 с.

28. Горбунова И.А. Разработка методики анализа теплового состояния в контактной зоне при глубинном шлифовании на базе экспериментальных исследований условий теплообмена: автореф. дис. . канд. техн. наук. Рыбинск. 2005. 16 с.

29. Горленко А.О. Инженерия криволинейных поверхностей трения // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 10. С. 6 8.

30. Гудков В.В., Петров H.A. Перспективы использования электрофизических, электрохимических и комбинированных методов формообразования поверхностей деталей в машиностроении. М.: НИИмаш, 1981. 64 с.

31. Дальский A.M. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. 222 с.

32. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической'области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1979. 144 с.

33. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. 244 с.

34. Дитман К., Гюринг К. Высокоскоростное шлифование — современный метод обработки металлов резанием // СТИН. 1988. № 12. С. 21 24.

35. Дроздов Ю.Н., Усов С.Б. Использование комбинированных технологических методов обработки для повышения износостойкости деталей машин // Вестник машиностроения. 1985. № 10. С. 9 — 10.

36. Евсеев Д.Г., Сальников А.Н. Физические основы процесса шлифования. Саратов: СГУ, 1978. 128 с.

37. Евсеев Д.Г. Формирование свойств поверхностных слоев при абразивной обработке. Саратов: СГУ, 1975. 128 с.

38. Ефимов В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ. Саратов: СГУ, 1992. 132 с.

39. Ефимов В.В. Научные основы повышения технологической эффективности СОЖ на операциях шлифования: дис. . д-ра техн. наук. Ульяновск. 1988. 472 с.

40. Ефимов В.В. Научные основы техники подачи СОЖ при шлифовании. Саратов: СГУ, 1985. 140 с.

41. Жабокрицкий P.A. Контроль температуры шлифования — эффективный способ повышения качества изделий. Киев: Знание, 1983. 16 с.

42. Зарембо JI.H., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966. 519 с.

43. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 368 с.

44. Иванов С.Ю., Прима В.И. Скан-идентификация технологических остаточных напряжений (СИТОН). Приборы и ИВК // Приборы и комплексы контроля качества машин. СПб.: НПЦ Контакт, 1995. 32 с.

45. Иванов С.Ю., Прима В.И. Измерительно-вычислительный комплекс скан-идентификации технологических остаточных напряжений // Тяжелое машиностроение. 1995. № 12. С. 14— 17.i

46. Ионов В.Н., Селиванов В.В. Динамика разрушения деформируемого тела. М.: Машиностроение, 1987. 272 с.

47. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS вфуках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

48. Карпенко Г.В. Влияние механической обработки на прочность и выносливость стали. М.-Киев: Машгиз, 1959. 185 с.

49. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420 с.

50. Качество машин: Справочник в 2 т. Т. 1 / А.Г. Суслов и др. М.: Машиностроение, 1995. 256 с.

51. Качество машин: Справочник в 2 т. Т. 2 / А.Г. Суслов и др. — М.: Машиностроение, 1995. 430 с.

52. Киселев Е.С. Интенсификация процессов механической обработки раI1 циональным использованием энергии ультразвукового поля. Ульяновск:1. УлГТУ, 2003. 186 с.

53. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Табеев М.В. Использование ультразвука для усиления проникающей способности СОЖ при глубоком сверлении маломерных отверстий // Вестник УлГТУ. 2004. № 2. С. 33 — 36.

54. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Степчева З.В. Использование ультразвука при обработке заготовок шлифованием и алмазным выглаживанием // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 8. С. 43 — 53.

55. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Механическая обработка заготовок в условиях критического тепломассопереноса. Избранные труды Российской школы по проблемам науки и технологий. М.: РАН, 2008. 250 с.

56. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Моделирование теплового состоянияконтактирующих объектов при совмещенном шлифовании с применением СОЖ // Труды IV Минского международного форума по тепломассообмену. Минск. 2000. Т. 3. С. 359 362.

57. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Научные основы и технология применения смазочно-охлаждающих технологических средств при механической обработке: сборник учебно-исследовательских лабораторных работ. Ульяновск: УлГТУ, 2008. 58 с.

58. Киселев Е.С. Научные основы т технология шлифования заготовок: сборник учебно-исследовательских лабораторных работ. Ульяновск: УлГТУ, 2006. 52 с.

59. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Тулисов А.Н. Повышение эффективности шлифования заготовок с помощью ультразвука // Автомобильная промышленность. № 4. 2001. С. 37 38.

60. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Яшин A.A. Применение ультразвуковой техники подачи СОЖ для повышения эффективности плоского шлифования с непрерывной правкой круга // СТИН. 2006. № Ю. С. 33 — 36.

61. Киселев Е.С., Унянин А.Н. Рациональное применение технологических жидкостей при совмещенном шлифовании // Физико-химия* процессов резания металлов: межвузовский сборник научных трудов. Чебоксары: Изд-во Чув. гос. ун-та, 1986. С. 115 120.

62. Киселев Е.С., Ковальногов B.Hi Реализация потенциала функциональных действий СОЖ при механической обработке на основе рационального применения ультразвука // Вестник двигателестроения. 2007. № 2. С. 112-117.

63. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Коршунов В.А. Тепловая напряженность и эффективность плоского торцового шлифования с применением в качестве СОТС ионизированного воздуха // Вестник машиностроения. 2007. № 8. С. 59-61.

64. Киселев Е.С. Теплофизика правки шлифовальных кругов с применением СОЖ. Ульяновск: УлГТУ, 2001. 170 с.

65. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Теплофизический анализ концентрированных операций шлифования. Ульяновск: УлГТУ, 2002. 140 с.

66. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Коршунов В.А. Технологическое обеспечение качества деталей с биметаллическими поверхностными слоями в процессе механической обработки // Упрочняющие технологии и покрытия. 2009. № 3. С. 29 33.

67. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Унянин А.Н. Ультразвуковая обработка СОЖ при шлифовании заготовок деталей // Автомобильная промышленность. 2001. № 4. С. 37 38.

68. Киселев E.G., Ковальногов В.Н., Яшин A.A. Ультразвуковая релаксация технологических остаточных напряжений в шлифованных деталях // СТИН. 2006. № 1.С. 18-21.

69. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Ультразвуковое снятие технологических остаточных напряжений // Техномир. 2008. № 2 (38). С. 44 — 45.

70. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н. Численное моделирование тепловых процессов при совмещенном шлифовании с применением ультразвуковой техники подачи СОЖ // Изв. вузов. Машиностроение. 2000. № 3. С. 65-71.

71. Киселев Е.С., Табеев М.В. Эффективность использования энергии ультразвукового поля при глубоком сверлении отверстий малых размеров // Справочник. Инженерный журнал. 2007. № 9. С. 24-33.

72. Киселев Е.С., Ковальногов В.Н., Унянин А.Н; Эффективность применения новой ультразвуковой техники подачи СОЖ при совмещенном и фасонном шлифовании заготовок 7/ Вестник машиностроения. 2001. № 1. С. 48-50.

73. Ковальногов В:Н: Минимизация расхода СОЖ при шлифовании с ультразвуком // Справочник. Инженерный журнал. 2007. № 7. С. 17 — 21.

74. Ковальногов В.Н. Алмазное выглаживание с малым силовым воздействием на обрабатываемую поверхность // СТИН. 2009. № 4. С. 36-39;

75. Ковальногов В.Н., Михайлин С.М; Теплофизический анализ как основа проектирования композиционных шлифовальных кругов 7/ Изв. вузов. Машиностроение. 2006. № 3. С. 53 -65.

76. Ковальногов В.Н. Эффективность комбинированной обработки прецизионных валов точением и алмазным выглаживанием // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: международный сборник научных трудов. Донецк. 2007. Вып. 34. G. 109 114.

77. Ковальногов H.H., Ковальногов В.Н. Программно-информационный комплекс для анализа теплового состояния лопаток турбомашин // Изв. вузов. Авиационная техника. 2003. № 3. С. 36 — 39.

78. Ковальногов H.H., Ковальногов В.Н., Надысева Е.Д. Управление турбулентным переносом в пограничном слое посредством наложенных периодических воздействий //Изв. вузов. Авиационная техника. 1998. № 1. С. 49-53.

79. Ковальногов H.H., Киселев Е.С., Клочков С.В. Фильтрация смазочно-охлаждающей жидкости во вращающемся шлифовальном круге при наложении ультразвуковых колебаний давления //Известия вузов. Авиационная техника. 1997. № 1. С. 53 58.

80. Колубаев A.B. Изменение структуры поверхности металлических материалов при трении с высокими нагрузками: дис. .-. докт. физ.-мат. наук. Томск. 1996. 292 с.

81. Королев A.B. Исследование процессов образования поверхностей инструмента и детали при абразивной обработке. Саратов: СГТУ, 1975. 192 с.

82. Коротин Б.С., Урывский Ф.П. Остаточные напряжения и их регулирование за счет режимов и методов механической обработки // Технологические методы повышения точности, надежности и долговечности в машиностроении. М.: НТО Машпром, 1966. С. 15-18.

83. Корчак С.Н. Производительность процесса шлифования стальных деталей. М.: Машиностроение, 1974. 280 с.

84. Кравченко Б.А, Круцило В:Г., Гутман Г.Н. Термопластическое упрочнение — резерв повышения прочности и надежности деталей машин. Самара: СамГТУ, 2000. 216 с.

85. Кравченко Б.А. Теория формирования поверхностного слоя деталей машин примеханической; обработке. Куйбышев: КПтИ, 1981. 90 с.

86. Кравченко Б.А.,. Кравченко А.Б. Физические аспекты теории процесса) резания металлов. Самара: СамГТУ, 2002: 167 с.

87. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение № износ: М:: Машиностроение, 1977. 526 с:

88. Кремень З.И., Юрьев В.Г., Бабошкин А.Ф. Технология шлифования в машиностроении. СПб.: Политехника, 2007. 424 с.

89. Кузнецов В.Д. Физика резания и трения металлов и кристаллов. Избран-ньте труды. Mi: Наука, 1977. 310 с.

90. НО. КулаковТО:М;, ХрульковВ-А., ДунингБарковский И®: Предотвращение дефектов при шлифовании. М.: Машиностроение, 1975. 144 с.

91. Кумабэ Д. Вибрационное резание. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.

92. Латышев В¿H. Повышение эффективности СОЖ. М.: Машиностроение, 1985. 64 с.

93. Лоладзе Т.Н:, Бокучава F.B. Износ алмазов и алмазных кругов. М.: Машиностроение, 1967. 113 с.

94. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1974. 250 с.

95. Макаров В.Н., Проскуряков С.Л. Термомеханика высокоскоростной лезвийной обработки //Вестник машиностроения. 1993. № 5-6. С. 28 -29.

96. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов / Успехи физических наук. Т. 69. № 9, 1999; С. 979 1010.

97. Марков А.И; Влияние вынужденных ультразвуковых колебаний малой амплитуды на процесс резания металлов // В кн. «Развитие теории ипрактики внедрения ультразвуковой технологии в машиностроении». М.: Машиностроение, 1965. С. 126 136.

98. Марков А.И. Кинематика процесса резания при возбуждении ультразвуковых колебаний инструмента // Ультразвуковая техника. 1964. № 3. С. 22-23.

99. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968. 266 с.

100. Марков С.Г. Механическая обработка титановых сплавов: Рига: МИПКСНХ Латв. ССР, 1983. 40 с.

101. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 484 с.

102. Маслов E.H. Теория шлифования материалов. М.: Машиностроение, 1974. 320 с.

103. Маталин A.A. Качество поверхности и эксплуатационные свойства-деталей машин. М.-Л.: Машгиз, 1956. 252 с.

104. Маталин A.A. Точность механической обработки и проектирование технологических процессов. Л.: Машиностроение, 1970: 320 с.

105. Неру бай М.С. Резание жаропрочных и титановых сплавов с помощью ультразвука. Куйбышев: Куйбышевское книжное изд-во, 1964. 46 с.

106. Нерубай М.С., Штриков Б.Л., Калашников В.В! Ультразвуковая механическая обработка и сборка. Самара: Кн. изд-во, 1995. 191 с.

107. Нерубай М.С., Овчинников А.П. Формирование остаточных напряжений при комбинированном электромеханическом и ультразвуковом упрочнении * // Поверхностное упрочнение деталей машин и инструментов. Куйбышев: КуАИ, 1976. С. 71 74.

108. Овсеенко А.Н. Технологические проблемы обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2002. № 9. С. 10—12.

109. Островский Л.А., Потапов А.И. Введение в теорию модулированных волн. М.: Физматлит, 2003: 400 с.

110. Панин В.Е. Поверхностные слои нагруженных твердых тел как мезоско-пический структурный уровень деформации // Физическая мезомехани-ка. 2001. Т. 4. №3. С. 5-22.

111. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Данилов В.И. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука, 1990. 225 с.

112. Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2146601 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, Д.Г. Нечаев, В.Н. Ковальногов. № 98117012/02; заявл. 11.09.1998; опубл. 20.03.2000: Бюл. № 8.

113. Способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2151044 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, В.И. Деревянко, В.Н. Ковальногов, A.B. Семенов. № 98103610/02; заявл. 27.02.1998; опубл. 20.06.2000: Бюл. № 17.

114. Способ подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2152297 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, A.B. Семенов, В.Н. Ковальногов, В.И. Деревянко. № 98116975/02; заявл. 11.09.1998;.опубл. 10.07.2000. Бюл. № 19.

115. Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости: пат. 2Г573Г1 РФ / Е.С Киселев, А.Н. Унянин, В.К Ковальногов, Д.Е. Нечаев. № 99112374/02; заявл. 11.06.1999; опубл. 10.10.2000. Бюл. № 28.

116. Устройство для непрерывной правки шлифовального круга: пат. 2164855 РФ / Е.С. Киселев, А.Н. Унянин, А.Н. Тулисов, С.Е. Королев, В.Н. Ковальногов; № 99124134/02; заявл. 16.11.1999; опубл. 10.0412001. Бюл. № 10.

117. Способ шлифования: пат. 2276004 РФ / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов, М.А. Чудинов. № 2004129025/02; заявл. 01.10.2004; опубл. 10.05.2006. Бюл. № 13.

118. Устройство для подачи смазочно-охлаждающей жидкости при обработке отверстий малого диаметра: пат. 2279963 РФ / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов, М.В. Табеев. № 2005103997/02; заявл. 15.02.2005; опубл. 20.07.2006. Бюл. № 20.

119. Устройство для подачи смазочно-охлаждающих жидкостей при обработке отверстий малого диаметра: пат. 2284878 РФ / Е.С. Киселев,

120. B.Н. Ковальногов, M.B. Табеев. № 2005103998/02; заявл. 15.02.2005; опубл. 10.10.2006. Бюл. № 28.

121. Способ создания регулярного микрорельефа на цилиндрических заготовках: пат. 2329131 РФ / Е.С. Киселев, В.Н. Ковальногов, З.В. Степче-ва. № 2006128858/02; заявл. 08.08.2006; опубл. 20.07.2008. Бюл. № 20.

122. Пилинский В.И., Николаев C.B. Исследование температур при абразивном шлифовании быстрорежущих сталей // Теплофизика технологических процессов: сборник научных трудов. Саратов. 1973. Вып. 1. С. 69 74.

123. Подзей A.B. Технологические остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1973. 305 с.

124. Подосенова H.A. Тепловые явления при шлифовании закаленной стали // Качество поверхностей деталей машин. М.: Изд-во АН СССР. 1959.1. C. 41-45.

125. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М.: Машиностроение, 1970. 352 с.

126. Подураев В.Н.' Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1974. 252 с.

127. Подураев В.Н., Суворов A.A., Овсепян Г.С. Улучшение охлаждающих свойств СОЖ при возбуждении ультразвуковых колебаний // Станки и инструмент, 1975. № 6. С. 31 32.

128. Полоцкий И.Г., Недосека А.Я., Прокопенко Г.Н. Снижение остаточных сварных напряжений ультразвуковой обработкой // Автоматическая сварка. 1974. № 5. С. 74 75.

129. Полухин П.№, Горелик С.С., Воронцов K.M. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. 584 с.

130. Прокофьев А.Н. Инженерия резьбовых поверхностей // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № Ю. С. 11-13.

131. Пуховский Е.С., Гавриш А.П., Грищенко Е.Ю. Обработка высокопрочных материалов. Киев: Техника, 1983. 134 с.

132. Рапопорт JI.C. Уровни пластической деформации поверхностных слоев и их связь с процессом изнашивания // Трение и износ. 1983. Т. 4. № 1.С. 121-131.

133. Режимы резания на работы, выполняемые на шлифовальных и доводочных станках с ручным управлением и полуавтоматах: справочник / Д.В. Ардашев и др. Челябинск: АТОСКО, 2007. 384 с.

134. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. 234 с.

135. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.: Машиностроение, 1969. 288 с.

136. Рубцов В.Е. Моделирование деформационных и тепловых процессов в поверхностном слое упруго-пластичного материала при трении: дис. . канд. физ.-мат. наук. Томск. 2004. 145 с.

137. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 175 с.

138. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наукова думка, 1984. 270 с.

139. Самарин Ю.П., Филин А.Н., Рахчеев В.Г. Технологическое обеспечение точности фасонных поверхностей при шлифовании и финишной абразивной обработке. М.: Машиностроение, 1999. 300 с.

140. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. 152 с.

141. Смазочно-охлаждающие технологические средства и их применение при обработке резанием: справочник / Под общ. ред. Л.В. Худобина. М.: Машиностроение, 2006. 544 с.

142. Смелянский В.М., Блюменштейн В.Ю. Концепция инженерии поверхностного слоя в категориях пластичности и технологического наследования // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 4. С. 17 23.

143. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. М:: Машиностроение, 2002. 300 с.

144. Смелянский В.М., Блюменштейн В.Ю. Механика формирования поверхностного слоя деталей при резании // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2002. № 9. С. 16 20.

145. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 160 с.

146. Старков В.К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 688 с.

147. Суворов A.A. Научные основы повышения производительности и качества поверхности при изготовлении деталей из труднообрабатываемых материалов путем использования технологических сред: автореф. дис. . докт. техн. наук. М., 1982. 32 с.

148. Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. 256 с.

149. Сулима A.M., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.

150. Суслов А.Г. Инженерия поверхностей деталей — резерв в повышении конкурентоспособности машин // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 4. С. 3 9.

151. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

152. Суслов А.Г. Научно-технические направления развития инженерии поверхности // Инженерия поверхности. Приложение № 8 к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2002. № 8. С. 2 5.

153. Суслов А.Г. Совершенствование существующих и разработка новых меtтодов обработки для повышения качества поверхностного слоя // Инженерия поверхности. Приложение № 10 к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 10. С. 22 24.

154. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. 208 с.

155. Теплофизика механической обработки / A.B. Якимов и др. Одесса: Лы-бидь, 1991.240 с.

156. Термодинамика и теплопередача / A.B. Болгарский и др. М.: Высшая школа, 1975. 495 с.

157. Технологические свойства СОЖ для обработки резанием / Под ред. М.И. Клушина. М.: Машиностроение, 1992. 270 с.

158. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. 576 с.

159. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972. 104 с.

160. Тотай A.B. Физические аспекты обеспечения усталостной прочности деталей машин // Инженерия поверхности. Приложение № 8 к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2002. № 8. С. 20 — 21.

161. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.

162. Унянин А.Н. Научное и технологическое обеспечение шлифования заготовок из пластичных сталей и сплавов с предотвращением засаливания абразивных кругов: дис. . докт. техн. наук. Ульяновск. 2006. 537 с.

163. Унянин А.Н. Повышение эффективности совмещенного шлифования путем рационального применения технологических жидкостей: дис. . канд. техн. наук. Ульяновск. 1986. 194 с.

164. Федонин О.Н. Инженерия поверхности детали с позиции ее коррозионной стойкости // Инженерия поверхности. Приложение к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 10. С. 17-19.

165. Федонин О.Н. Инженерия поверхностного слоя деталей с позиции накопленной внутренней энергии // Инженерия поверхности. Приложение № 8 к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2002. № 8. С. 23 — 24.

166. Федонин О.Н. Технологическое обеспечение коррозионной стойкости деталей из конструкционных сталей в условиях электрохимической коррозии: дис. . докт. техн. наук. Брянск. 2004. 322 с.

167. Физико-математическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения / Под общ. ред. Ф.В. Новикова и A.B. Якимова. В Ют. Т. 2 «Теплофизика резания материалов». Одесса: ОНПУ, 2003. 625 с.

168. Физико-математическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения / Под общ. ред. Ф.В. Новикова и A.B. Якимова. В 10 т. — Т. 6 «Качество обработки деталей машин». Одесса: ОНПУ, 2003.716 с.

169. Физико-химические и теплофизические свойства смазочных материалов / Г.И. Чередниченко и др. JL: Химия, 1986. 224 с.

170. Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике: Справочник / Под ред. Б.Е. Неймарка. М.: Энергия, 1967. 240 с.

171. Филимонов JI.H., Петрашина JI.H. Особенности стружкообразования в условиях локального термопластического сдвига // Вестник машиностроения. 1993. № 5-6. С. 23-25.

172. Финатов Д.Н., Захаров JI.A., Маслюков В.А. Инженерия поверхностей катания железнодорожных рельсов и колес // Инженерия поверхности. Приложение № 10 к журналу: Справочник. Инженерный журнал. 2001. № 10. С. 8-11.

173. Фригер И.В. Термическая обработка сплавов. JL: Машиностроение, 1982. 304 с.

174. Хандожко A.B. Напряженно-деформированное состояние в поверхностном слое деталей при обработке резанием // Инженерия поверхности.