автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технология и оборудование для отделочно-зачистной обработки в свободных абразивных средах, уплотненных центробежными силами

ВВЕДЕНИЕ

1. СУЩНОСТЬ СПОСОБА ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ УПЛОТНЕННЫМ ПОТОКОМ СВОБОДНОГО АБРАЗИВА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Отделочно-зачистная обработка. Основные направления ее развития

1.2. Характеристика и предполагаемая сфера применения способа отделочно-зачистной обработки в свободных абразивных средах, уплотненными центробежными силами

1.3. Задачи исследования

2. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКР1Х И ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УПЛОТНЕННОГО РАБОЧЕГО СЛОЯ НА ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ

2.1. Формирование уплотненного рабочего слоя во вращающейся рабочей камере

2.2. Влияние реальных условий формирования уплотненного слоя рабочей среды на его кривизну

2.3. Динамическое воздействие уплотненного рабочего слоя на обрабатываемую поверхность детали

2.4. Восстановление уплотненного рабочего слоя после взаимодействия с обрабатываемой поверхностью детали

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЗМА СЪЕМА МЕТАЛЛА И ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СВОБОДНОЙ АБРАЗИВНОЙ ЧАСТИЦЫ С ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

3.1. Состояние вопроса

3.2. Механизм взаимодействия абразивного зерна с поверхностью детали при обработке уплотненным потоком свободного абразива

3.3. Деформационное упрочнение поверхностного слоя в зоне контакта со свободным абразивным зерном

3.4. Основные факторы, влияющие на интенсивность съема металла и шероховатость обрабатываемой поверхности

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА И КАЧЕСТВО ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ

4.1. Общая методика экспериментальных исследований

4.2. Исследование влияния технологических параметров процесса на величину съема металла и шероховатость обрабатываемой поверхности

4.3. Оптимизация технологических параметров процесса

4.4. Исследование влияния технологических параметров процесса на деформационное упрочнение поверхностного

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Отделочно-зачистная центробежная машина для опытного использования в промышленном производстве

Актуальность работы. В современном машиностроении наблюдается четкая тенденция к повышению точности обработки и уменьшению шероховатости поверхности. Большое значение приобретает также внешнетоварная и декоративная отделка. В отечественной промышленности, как и в мировой, неуклонно растет объем применения точных заготовок и технологических процессов на основе минимальных припусков на обработку. Доля зачистных, шлифовальных, полировальных и других финишных методов обработки, в процессе выполнения которых окончательно формируются качественные характеристики поверхностного слоя деталей, которые в большинстве сл5Д1аев и обуславливают их эксплуатационные свойства, в настояш,ее время неуклонно растет.

Таким образом, в связи с повышенными эксплуатационными требованиями к выпускаемым машинам и механизмам особенно важными являются чистовые отделочные операции. Известно, что долговечность работы деталей определяется порой не только физико-механическими характеристиками материала, из которого они изготовлены, но свойствами и состоянием тончайшего поверхностного слоя. Изготовление деталей из одного и того же материала, но по различной технологии и на разных режимах приводит к резкому колебанию свойств поверхностного слоя. При этом долговечность деталей может различаться в десятки раз. Все это свидетельствует о большом значении отделочных методов обработки в технологическом процессе изготовления деталей.

Большинство отделочно-зачистных операций, которым подвергаются до 80 процентов деталей в машиностроении и приборостроении, тяжело поддаются механизации и автоматизации из-за разнообразия форм и размеров обрабатываемых изделий и относятся к числу малопроизводительных операций, в которых значительная доля обш;ей трудоемкости приходится на ручную обработку. Так, например, трудоемкость отделочно-зачистных операций при обработке деталей, получаемых холодной листовой штамповкой составляет 75 - 80 процентов от общей трудоемкости [1], то есть отделочно-зачистные операции имеют в данном случае в 4 - 4,5 раза большую трудоемкость, чем сам процесс вырубки деталей, особенно при использовании штампов-автоматов. Поэтому повышение производительности труда путем механизации и автоматизации трудоемких ручных операций является одной из важнейших задач развития технического прогресса. Особое внимание при этом необходимо уделить разработке и внедрению оборудования для принципиально новых технологических процессов, что ставит перед машиностроением задачу создания рациональных и экономичных конструкций машин, находящихся на уровне лучших зарубежных образцов аналогичного назначения.

Особенно актуальны вопросы совершенствования отделочно-зачистной обработки при изготовлении деталей, наружная поверхность которых представляет собой сложнопрофильное тело вращения, так как, несмотря на разнообразие способов обработки, изготовление таких деталей с низкой шероховатостью поверхности связано с большими технологическими трудностями и материальными затратами.

Все вышесказанное свидетельствует о необходимости проведения научно-исследовательских и конструкторско-технологических разработок, направленных на создание новых высокоэффективных технологических процессов отделочно-зачистной обработки, пригодных для массового и серийного производства изделий широкой номенклатуры,

В настоящее время на основе комплекса экспериментальных и теоретических исследований разработаны принципиально новые производительные способы отделочно-зачистной обработки. В ряду которых важное место занимают способы центробежной отделочно-зачистной обработки деталей уплотненным потоком свободного абразива.

Центробежная обработка является одним из наиболее производительных и перспективных методов отделочно-зачистной обработки. Технологические возможности центробежной обработки в свободных абразивных средах, уплотненных центробежными силами, охватывают широкий диапазон операций от черновых до чистового полирования и глянцевания. Оптимизация технологических режимов и совершенствование оборудования для центробежной обработки позволят значительно расширить технологические возможности отделочно-зачистной обработки.

Благодаря технико-экономическим преимуш;ествам способ обработки деталей уплотненным потоком свободного абразива должен занять важное место в ряду прогрессивных методов отделочно-зачистной обработки и заслуживает всемерного развития и дальнейшего совершенствования.

Цель работы» Целью работы является повышение эффективности и расширение технологических возможностей отделочно-зачистной обработки в свободных абразивных средах, уплотненных центробежными силами.

Общая методика исследований. Для решения поставленных задач использовались известные методы изучения динамики машин, взаимодействия деталей с обрабатывающей средой, основанные на фундаментальных положениях теории механизмов и машин, динамики сыпучих сред, технологии машиностроения. Исследования проводились на опытных образцах оборудования, специально разработанного для осуществления возможности изменения конструктивных параметров и динамических характеристик системы.

Математические модели разрабатывались с использованием современного математического аппарата и вычислительной техники. Ряд технологических экспериментов проведен на деталях реального производства.

В экспериментах использовались современные приборы и методы измерений: для оценки съема металла - аналитические весы второго класса точности ВЛР-200; для оценки шероховатости - двойной микроскоп МИС-11, для оценки микротвердости - микротвердомер ПМТ-3.

Научная новизна работы. Получены аналитические зависимости влияния геометрических и динамических параметров уплотненного 7 центробежными силами слоя свободного абразива на процесс обработки с учетом необходимости восстановления этого слоя после контакта с обрабатываемой поверхностью и математические модели зависимостей величины съема металла и шероховатости от технологических режимов обработки.

Практическая ценность работы. Спроектирована и изготовлена опытно-промышленная машина, реализующая способ отделочно-зачистной обработки в свободных абразивных средах, уплотненных центробежными силами. Разработанные рекомендации, касающиеся технологических параметров процесса положены в основу новых технологических процессов отделочно-зачистной обработки в свободных абразивных средах, уплотненных центробежными силами. Рекомендации, касающиеся конструктивных параметров, использованы при проектировании опытно-промышленной машины ОЦМ-280.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Исследование влияния геометрических и динамических параметров уплотненного слоя свободного абразива на процесс обработки позволило выявить механизм формирования этого слоя и его восстановления после контакта с обрабатываемой поверхностью детали. Получены аналитические зависимости для определения минимальной угловой скорости вращения рабочей камеры, необходимой для формирования уплотненного слоя с заданными геометрическими параметрами и скорости его восстановления, что позволило дать теоретически обоснованные рекомендации по выбору конструктивных и технологических параметров центробежных машин.

2. Разработаны аналитические математические модели процессов съема металла и формирования микронеровностей обрабатываемой поверхности, которые позволили установить, что определяющими факторами, оказывающими влияние на интенсивность съема металла и шероховатость являются длительность обработки, линейная скорость перемещения уплотненного потока рабочей среды, угол атаки, зернистость абразива и физико-механические свойства обрабатываемого материала.

3. На основании микрофотографического анализа следов взаимодействия единичных абразивных выступов с обрабатываемой поверхностью детали установлено, что доминирующим механизмом съема металла при отделоч-но-зачистной обработке уплотненным потоком свободного абразива является микрорезание.

4. На основании экспериментальных исследований влияния конструктивных и технологических параметров центробежных машин на производительность процесса по съему металла шероховатость поверхности разработаны математические модели в виде уравнений регрессии, которые являются основой для выбора оптимальных значений этих параметров.

5. Установлено, что изменение в исследованном диапазоне режимов обработки, ведущее к возрастанию силы нормального давления уплотненного потока рабочей среды на обрабатываемую поверхность увеличивает интенсивность съема металла и шероховатость.

6. Оптимизация технологических режимов и разработка нового оборудования позволили значительно расширить технологические возможности центробежной отделочно-зачистной обработки. Данный способ был успешно применен не только для обработки наружных поверхностей тел вращения, но также для снижения шероховатости сложных криволинейных поверхностей при соблюдении высокой точности в изготовлении, снятия заусенцев с локальных поверхностей деталей, округления острых кромок, увеличения степени наклепа поверхностного слоя деталей до 15% на глубину 30-40 мкм.

7. Спроектирована и изготовлена опытно-промышленная машина модели ОЦМ-280, реализующая процесс отделочно-зачистной обработки в свободных абразивных средах уплотненных центробежными силами.

8. На базе ЗАО «СО АТЭ» и ОАО «ОЗММ» произведена обработка пробных партий деталей с использованием разработанных технологии и оборудования.

1. Сергиев А.П., Антипенко Е.И. Отделочная обработка в абразивных средах. Научное издание. Старый Оскол, 1997. - 220 с.

2. Сергиев А.П., Антипенко Е.И. Теоретические основы отделочно-зачистной обработки в свободных абразивных средах. Мариуполь: Приазовский государственный университет (ПГТУ), 1997. - 111 с.

3. Сергиев А.П. Объемная вибрационная обработка деталей. М., 1972. -128 с.

4. А. с. № 252114 СССР. Способ обработки изделий / Колесов Б.К. Бюлл. изобретений, 1969, № 28.

5. Пшеничный О.Ф. Исследование технологических характеристик способа финишной обработки наружных сложнопрофильных поверхностей вращения абразивом, уплотненным центробежными силами. Дисс. к.т.н. -Пенза, 1982.-203 с.

6. Скрябин В.А. Повышение эффективности процесса микрорезания при обработке поверхностей деталей абразивом, уплотненным инерционными силами. Дисс. к.т.н. Пенза, 1983. - 216 с.

7. Ящерицын П.И., Мартынов А.Н., Гридин А.Д. Финишная обработка деталей уплотненным потоком свободного абразива. Минск: Наука и техника, 1979.-224 с.

8. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М.: Машиностроение, 1976. - 387 с.

9. Мае лов E.H. Основы теории шлифовальных металлов. М.: Машгиз, 195 1.-179с.

10. Мартынов А.Н, Основы метода обработки деталей свободным абразивом, уплотненным инерционными силами. Саратов, 1981. - 212 с.

11. A.c. 680864 СССР. Способ обработки изделий / Мартынов А.Н., Зверовщиков Е.З., Зверовщиков В.З., Пшеничный О.Ф. Бюлл. изобретений, 1979, №3 1.

12. Кривоухов В.А. Деформирование поверхностных слоев металла в процессе резания. М.: Машгиз, 1945. - 72 с.

13. Давиденков H.H. Некоторые проблемы механики материалов. Л.: Лениз-дат, 1 943 .-С. 86-108.

14. Кощеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. М.: Наука, 1970. -147 с.

15. Сулима А.М., Шувалов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. -240 с.

16. Серга Г.В. Отделочно-зачистная обработка деталей в винтовых роторах. Автореф. дисс. на соискание ученой степени д.т.н. Тула, 1988. 40 с.

17. П.Шапошников H.A. Механические испытания металлов. М. Л.: Машгиз, 1954.-443 с.

18. Костецкий Б.И. Износостойкость металлов. М.: Машиностроение, 1980. -52 с.

19. Маталин A.A. Технические методы повышения долговечности машин. Киев, «Техника», 1971. 254 с.

20. Зарубежное оборудование для отделочно-зачистной обработки деталей высокопроизводительными методами. М.: Машиностроение, 1976. -37 с.

21. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

22. Сергиев А.П., Андилахай A.A. Струйно-абразивная обработка деталей во вращающемся потоке // Станки и инструмент, 1981, №11. - С. 18-20.

23. Крагельский И.В., Добычин М.Н. Расчетные зависимости и методы экспериментального определения износа при трении. М.: Машиностроение, 1968. - 52 с.

24. Соколовский А.П. Курс технологии машиностроения. Ч.П. М.; Л.: Машгиз, 1949.-478 с.

25. Богомолов Н.И. Основные процессы при взаимодействии абразива и металла. Дисс. д.т.н. Киев, 1967. -481 с.

26. Сергиев А.П. Отделочно-зачистная обработка в абразивных средах безжесткой кинематической связи. Автореф. дисс. на соискание ученой степени д.т.н. Тула, 1990. 50 с.

27. Самодумский Ю.М. Исследование процесса микрорезания, режущих свойств и стойкости абразива при виброабразивной обработке. Автореф. дисс. на соискание ученой степени к.т.н. Томск, 1973. 32 с.

28. Бабичев А.П. Вибрационная обработка деталей. М.: Машиностроение, 1974. -133 с.

29. Билик Ш.М. Абразивно-жидкостная обработка металлов. М.: Машгиз, 1960.- 187 с.

30. Ребиндер П.А., Лихтман В.И., Карпенко Г.В. Влияние поверхностно-активной среды на процессы деформации металлов. М., 1954. С. 83-100.

31. Литовка Г.В. Геометрические параметры гранул абразивного наполнителя и его режущие свойства при виброабразивной обработке. Канд. дисс. Иркутск, 1981. 181 с.

32. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп. Теоретические основы и практика применения. М.: Машгиз, 1955. - 312 с.

33. Сергиев А.П. и др. О выборе технологических параметров струйно-гидроротационной обработки // Станки и инструмент. 1985. - №4. - С.36.

34. Движение в области отделки поверхностей. «Metall», 1971, 25, №6, С.677-681. РЖ «Технология машиностроения», 1971, №10, реф. 10Б352.

35. A.c. 162559 СССР. Кл. В24В 31/067. Способ отделочной обработки деталей и устройство для его осуществления / А.П. Сергиев и др.

36. A.c. 656815 СССР. Кл. В24В 31/08. Отделочная установка для абразивной обработки деталей / А.П. Сергиев и др.

37. A.c. 1582503А1 СССР. Кл. В24В 31/104. Способ отделочной обработки деталей и устройство для его осуществления / А.П. Сергиев.

38. Проволоцкий А.Е. Струйно-абразивная обработка деталей машин. Киев: Техника, 1989.-279 с.

39. Агранат Б.А. Ультразвуковая технология. М.: Наука, 1974. -154 с.

40. A.c. 288441 СССР. Кл. В26В 1/00. Устройство для выполнения отделочных операций с применением ультразвуковых колебаний в жидкой среде / A.n. Сергиев и др.

41. A.c. 338341 СССР. Кл. В23Р 1/00. Ультразвуковая установка для отделочной обработки деталей / А.П. Сергиев и др.

42. Новое в механической отделке деталей. «Fachber. Oberflachentechn», 1971, 9, №2, С. 49-51. РЖ «Технология машиностроения», 1971, №7, реф. 7Б366.

43. Антипенко Е.И. Особенности процесса маятниковой вибрационной отделочной обработки. Дисс. к.т.н. Мариуполь, 1996. - 140 с.

44. A.c. 1520772 Al СССР. Кл. В24В 31/067. Способ вибрационной обработки Сергиева и устройство для его осуществления / А.П. Сергиев и др.

45. A.c. 1520772 Al СССР. Кл. В24В 31/067. Устройство для вибрационной обработки и его варианты / А.П. Сергиев, О.В. Гусев.

46. Matsunaga М., Hagiuda J. Vibratory Finishing-Fundamental Research (Institute of Industrial science. University of Tokyo) // Metal Finishing. 1965. - Vol. 63, №9, p. 10.

47. Сергиев А.П. Влияние основных процессов виброобработки на величину и характер металлосъема // Вопросы динамики и прочности. Рига, 1971. -Вып. 2 1 . - С . 87-100.

48. Bachman D. Обзор патентов Технический перевод №39. / Под ред. М.И. Аронова. СКБ ВНРШМСМ. -37 с.

49. Моргулис М.Л. Вибрационное измельчение материалов. М.: Промст-ройиздат, 1957. - 105 с.

50. Лесин А.Д. Элементы механики и методика расчета основных параметров вибрационных мельниц // Научное сообщение ВНИИТНСМ, 1957. №25.- С . 3-23.

51. Резников А.И. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справ. М.: Машиностроение, 1977. -391 с.

52. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием: Справочник. М.: Машиностроение, 1987. -328 с.

53. Тарг СМ. Краткий курс теоретической механики. М., 1967. 480 с.

54. Яблонский A.A. Курс теоретической механики. Ч. II. Динамика. Изд. 4-е, дополн. Учебник для высших технических учебных заведений. М.: «Высшая школа», 1971. 488 с.

55. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости). Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1975. 323 с.

56. Техническая гидромеханика. Повх И.Л., изд-во «Машиностроение», 1969.- 524 с.

57. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М., 1976. 872 с.

58. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

59. Яворский Б.М. и Детлаф A.A. Справочник по физике: 3-е изд., испр. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 624 с.

60. Механика жидкости и газа: Учебник для вузов / Аверин СИ., Минаев А.Н., Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г. М.: Металлургия. 1987. 304 с.

61. Антипенко Е.И. Движение сил, действуюш,их при центробежно-планетарной обработке // Вестник приазовского университета. Мариуполь, 1998, № 6. - С. 135-138.

62. Антипенко Е.И. Движение частицы в центробежно-планетарной обработке // Вестник приазовского университета. Мариуполь, 1998, № 6. -С. 139-142.

63. Белай Г.Е., Дембовский В.В., Соценко О.В. Организация металлургического эксперимента. М.: Металлургия, 1993. - 256 с.175

64. Сергиев А.П. Некоторые вопросы теории виброабразивной обработки // Виброабразивная обработка: Материалы семинара. М., 1966. - С. 47-62.

65. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 1.6.е изд., перераб. и доп. -М. : Машиностроение, 1982. 736 с.