автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Выбор рациональных условий обкатывания и алмазного выглаживания внутренних цилиндрических поверхностей деталей из конструкционных легированных сталей

005060798

На правах рукописи

Степошина Светлана Викторовна

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОБКАТЫВАНИЯ

И АЛМАЗНОГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической

физико-технической обработки

6 ИЮН 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2013

005060798

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» (БГТУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Федонин Олег Николаевич

Официальные оппоненты: Султан-Заде Назим Музафарович,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Плешаков Виктор Викторович,

кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный университет -

учебно-научно-производственный комплекс», г. Орёл

Защита диссертации состоится « 20 » июня 2013 г. в 14 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.129.01 при ФГБОУ ВПО «МГИУ» по адресу: 115280, Москва, ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1804.

Ь.»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан « 16 »

Ученый секретарь диссертационного совета '

мая 2013 г.

Иванов Юрий Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество поверхностного слоя существенно влияет на эксплуатационные свойства деталей машин. Формировать качество поверхности детали можно с помощью различных методов обработки. Среди них широко распространены методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием (ОУО ППД). Их преимуществами являются технологическая надежность и экономичность.

При анализе возможностей методов ОУО ППД для повышения качества поверхности деталей машин было выявлено, что одно и то же сочетание параметров качества поверхностного слоя (ПКПС) можно получить различными методами ОУО ППД. Следовательно, необходимо обосновать эффективность технологической операции пластического деформирования и ее элементов.

Основной целью технологического процесса в машиностроении является обеспечение заданных параметров качества детали наиболее производительным путем при минимальных затратах. Отсюда следует, что необходимо учитывать два критерия: максимальная производительность и минимальные приведенные затраты.

Обеспечить требуемое качество внутренних цилиндрических поверхностей значительно сложнее, чем наружных цилиндрических поверхностей. Также определенные ограничения накладывает жесткость инструмента при обработке внутренних цилиндрических поверхностей.

В связи с этим задача выбора рациональных условий обкатывания и алмазного выглаживания внутренних цилиндрических поверхностей деталей из конструкционных легированных сталей является актуальной.

Целью работы является создание нормативной документации, алгоритма и рабочей программы для выбора рациональных условий ОУО ППД с учетом критериев производительности и приведенных затрат.

Методика исследований. В ходе выполнения работы использовались основные положения технологии машиностроения, положения контактирования твердых тел, инженерии поверхности. Экспериментальные исследования проводились методами классического эксперимента и множественного регрессионного анализа.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Скорректированные теоретико-экспериментальные зависимости для определения рабочего усилия ОУО ППД, обеспечивающего требуемое качество поверхности детали, учитывающие физико-механические свойства материала заготовки, качество ее поверхности и параметры деформирующей части инструмента.

2. Экспериментальная зависимость шага волнистости поверхности детали от значения жесткости державки, исходного шага волнистости заготовки и давления в зоне контакта при алмазном выглаживании (для внутренних поверхностей).

з

Научная новизна.

1. Теоретико-экспериментальные зависимости для определения компонентов режима ОУО ППД (Р и S0) с учетом физико-механических свойств материала заготовки, качества ее поверхности и параметров деформирующей части инструмента.

2. Зависимости для расчета ПКПС, размеров и точности обработки заготовки на операции, предшествующей ОУО ППД.

3. Экспериментальная зависимость шага волнистости поверхности детали от значения жесткости державки, исходного шага волнистости заготовки и давления в зоне контакта при алмазном выглаживании (для внутренних поверхностей).

Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с применением современных методов на аттестованном оборудовании, а также успешным использованием основных положений работы на производстве и апробацией.

Практическая значимость.

1. Теоретико-экспериментальные зависимости для определения компонентов режима ОУО ППД (Р и S0) с учетом физико-механических свойств материала заготовки, качества ее поверхности и параметров деформирующей части инструмента.

2. Зависимости для расчета ПКПС, размеров и точности обработки заготовки на операции, предшествующей ОУО ППД.

3. Программное обеспечение для выбора рациональных условий обработки и формирования операционной карты, для обеспечения требуемого качества поверхности детали.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Автоматизированные технологические системы» ФГБОУ ВПО «БГТУ», на научных конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «БГТУ» в 2009 - 2012 гг.; Международной научно- практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (г. Брянск, 2010г.), X международной межвузовской научно - технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов «Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления» (г. Гомель, 2010 г.), на Международной межвузовской научно - технической конференции «Менеджмент качества продукции и услуг» (г. Брянск, 2010г.), на международной научно - технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» (г. Брянск, 2011 г.), на международной научно — технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2011-2012 гг.), на Международной научно - технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии -Технология-2012» (г. Орел, 2012г).

Практические разработки по данной теме отмечены почетной грамотой победителя программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного

Конкурса» («У.М.Н.И.К.») Фонда содействия развитию малых форм предприятии в научно-технической сфере (2011г.), дипломом I степени за высокий на-учныи уровень доклада Региональной научной конференции студентов и аспи-ратот «Достижения молодых ученых Брянской области» (2009г.), дипломом за лучшии доклад на X Международной межвузовской конференции студентов магистрантов и аспирантов в г. Гомель (2010г.), дипломом Ш степени в конкур! се на лучшую научную работу аспирантов и молодых ученых по естественным техническим и гуманитарным наукам в вузах Брянской области «Современные <20120 Д0СТИЖеНИЯ- Брянск " 2012» в номинации «Технические науки»

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 3 - в журналах из перечня ВАК РФ, рекомендованного для опубликования результатов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пята глав, основных выводов и результатов, списка литературы из 114 наименовании Материалы диссертации представлены на 149 страницах

текста, содержат 34 рисунка и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса выбора рациональных условии технологической операции ОУО ППД.

Большой вклад в развитие научных положений теории ППД внесли работы Алексеева ПГ Бабичева А.П., БалтераМ.А., Бараца Я.М., Беляева В И БлюменштеинаВ.Ю БраслаескогоВ.М., Горленко О.А., Дрозда М.С., Кириче! ПапшевЯ?п п°В!1 ЕГ-> Кудрявцева И.В., Одинцова Л.Г., Олейника Л.В., т П°ПОВаМ-Е" Проскурякова Ю.Г., Рыковско-

го Б.П., РозенбергаО.А., Сидоренко В.А., Смелянского В.М., Соловьева Д.Л Суслова А.Г., Торбило В.М., Федорова В.П., Хворостухина Л.А., ЧепаПл"

ШнеидераЮ.Г.,ЯценкоВ.К. и других ученых. с мил.

Анализ научных работ указанных исследователей позволил сделать следующие выводы: м с

1. Главным образом научные основы технологии ППД базируются на

обобщении экспериментального материала.

1щц 2- ^у^таует единая методика расчета составляющих режима обработки

3. Недостаточное количество рекомендаций по обработке внутренних поверхностей алмазным выглаживанием.

4. Отсутствие данных по влиянию геометрических параметров державки упругого деформирующего инструмента для внутренних поверхно^й на"

высоту волнистости обрабатываемой поверхности. остей на шаг и

В связи с вышесказанным, были поставлены следующие задачи:

1. Определить теоретические зависимости для расчета параметров режима ОУО ППД (Р, S0) для обеспечения требуемого качества поверхности детали.

2. Экспериментально проверить и уточнить зависимости по учету влияния данных компонентов на ПКПС детали.

3. Составить зависимости для расчета ПКПС и точности на предшествующей операции.

4. Определить зависимости для выбора рациональных условий операции ОУО ППД.

5. Разработать алгоритм работы программы для выбора рациональных

условий ОУО ППД.

6. Разработать программу, результатом работы которой является готовая

технологическая документация на операцию ОУО ППД.

Во второй главе описываются общая стратегия исследований, методики проведения теоретических и экспериментальных исследований, средства измерений, используемые в исследованиях.

Стратегия исследований направлена на достижение поставленной цели и

решения вышеуказанных задач.

Предварительная серия экспериментов для выявления общих закономерностей и уточнения степени влияния свойств материала заготовки на результаты процесса обработки была проведена на примере обкатывания и алмазного выглаживания наружных цилиндрических поверхностей различной твердости из стали 40Х (рис.1).

Эксперименты по обработке ОУО ППД внутренних цилиндрических поверхностей были проведены на разборных образцах из сталей 40Х и 20ХНЗА различной твердости (рис. 2). В разъем образца вставляется прямоугольная пластина 18,00±0,15мм, после чего соединение фиксируется болтами Мб.

Для алмазного выглаживания внутренних поверхностей спроектированы и изготовлены державки для выглаживателей, работающих по принципу плоской пружины (рис. 3). Геометрические параметры выглаживателей рассчитывались так, чтобы максимальное отклонение деформирующей части не превышало 2мм при различных стадиях ОУО ППД.

Тарировка изготовленных алмазных выглаживателей для обработки внутренних поверхностей производилась с помощью образцового динамометра сжатия мод. ДОСМ-3-0,2 и индикатора часового типа. Для измерения твердости применялся прибор для измерения твердости металлов и сплавов по методу Ро-квелла мод. ТК-2М.

п

100

Omb. центр. А5 ГОСТ 1i03l-7i

Рис. 1. Схема и вид образца для обработки наружных поверхностей

Рис. 2. Схема и вид образца для обработки внутренних поверхностей

Обработка ППД проводилась на токарно-винторезном станке мод. 16К20.

..........тжшвяни

«в?

а) б) Рис.3, а) Изготовленные алмазные выглаживатели для внутренних поверхностей, (НхВ) : 1- 5x16; 2- 7x16; 3- 10x16; г„=1,5; 2,5; 3,5 мм; б) выглаживание образца.

Для измерения параметров шероховатости поверхности образцов использовалась АСНИ на базе профилометра-профилографа мод. 170311 и профило-метр Mahr MarSurf PS 1 (рис.4.).

Рис.4. Измерения параметров шероховатости поверхностного слоя образцов, АСНИ на базе профилометра-профилографа мод. 170311

Для измерения микротвердости поверхности образцов использовался Микротвердомер мод. ПМТ-ЗМ (рис. 5).

Рис.5. Измерение микротвердости поверхности образцов на ПМТ-ЗМ а) шлиф на обкатанном образце; б) вид пластины, на которой подготовлен шлиф; в) измерение на микротвердомере ПМТ-ЗМ

В третьей главе исследовались теоретические аспекты процесса ППД и формирования качества поверхностного слоя. Был разработан единый подход для расчета составляющих режима ОУО ППД в зависимости от физико-механических свойств материала и микрогеометрии поверхности заготовки, параметров деформирующего инструмента.

Одним из основных параметров режима ОУО ППД, с помощью которого можно формировать требуемый вид обработки, является рабочее усилие Р, оказывающее влияние как на физико-механические, так и на геометрические характеристики качества поверхностного слоя деталей машин. На основании положений контактирования твердых тел были выведены зависимости для расчета усилия обработки Р:

1) Для отделочной обработки

■гпр-стт<Р<2"-Ук

0,6тс-У

2) Для отделочно-упрочняющей обработки

2л-У,

3) Для упрочняющей обработки

671-У,

4) Для перенаклепа

Гир-^<Р<6тс'Ук

•гпр'стт

гпр-ат<Р<11,5тг-Ук

Р>11,5тг-УКсе-гпр-ат.

(1)

(2)

(3)

(4)

Контактное сближение при скольжении или качении определяется из уравнения

уКок = Ук .(гТГ^-х), (5)

где коэффициент трения, скольжения или качения; Ук - контактная деформация в статике.

У = У

'к * п

+У.

Упк'

где УПЛк - пластические деформации в статике (при контакте инструмента с шероховатой поверхностью)

У.. = Яг

2Р

\0,5

(7)

к АнСка

УупК — упругие контактные деформации в статике (при контакте инструмента с шероховатой поверхностью)

ууп.=20

Ска -У

0,5

(8)

где ц- коэффициент Пуассона (для стали 0,3); Е- модуль упругости материала^-102МПа).

Продольная подача оказывает большее влияние на формирование параметров шероховатости поверхностного слоя. Поэтому назначать подачу следует, исходя из требуемого значения Яг.

Параметр Иг шероховатости поверхности в общем случае при всех методах механической обработки определяется равенством:

Иг = Ь1 + Ь2 + Ь3 + Ь4, (9)

где 111 — составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента; Ь2 - составляющая профиля шероховатости, обусловленная колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности; Из — составляющая профиля шероховатости, обусловленная пластическими деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки; Ь4 - составляющая профиля шероховатости, обусловленная шероховатостью рабочих поверхностей инструмента.

Принята зависимость для определения подачи:

Б„= 18г

Яг-Яг,,,.,, О-12

1200Р(1 + Гг)0,5

-Яг,,

(10)

где глубина внедрения инструмента в обрабатываемую поверхность:

Яр

яТфРНВ^Г 2

2Р(1 + ^Г тсЯНВ_

1/5

, упругое восстановление оп-

ределяется по зависимости

^упр

11(дНВисх)°-5

32Е

Рассчитаны зависимости для определения изменения диаметра заготовки (на основе положений контактирования твердых тел). Допуск на изготовление цилиндрической детали:

Та = 2(2-Ягисх). (11)

Изменение диаметра заготовки можно определить по остаточному контактному сближению поверхностей инструмента и заготовки.

Остаточная деформация при ППД определяется остаточным контактным сближением поверхностей инструмента и заготовки. Контактное сближение при скольжении или качении определяется из уравнения :

¥кск=2 = Ук(2л/ь^Г-1), (12)

где Ук- контактная деформация в статике, определяется по зависимости (6). После подстановки всех составляющих получим:

Ъа.

Y,„ = Z =

Ска,

(2л/1 + f2 -1). (13)

Диапазоны номинальных давлений рн, обеспечивающих различные виды ОУОППД:

1. Отделочная обработка

0,3стт<рн< 1,05стт , (14)

2. Отделочно-упрочняющая обработка

1,05сгт<рн<3,9стт , (15)

3. Упрочняющая обработка

3,9от<рн<11,48стт , (16)

4. Перенаклеп

Рн >11,48сгт . (17)

Таким образом, величина остаточной деформации для различных видов ОУО ППД будет лежать в диапазонах: 1. Для отделочной обработки

^min >

^тах -

ICkJ Е

-ЧКШ

4M)

У

0,5\°-5

(2Vl + f2 -1), (2Vl + f2-l);

2. Для отделочно-упрочняющей обработки

^min >

7 <

RÄf+2„!ztti

VCkJ Е

Скст_

ACkJ Е

Скстт

КШ

0,5'

0,5

(2Vl + f2-l), (2a/I+F-1);

3. Для упрочняющей обработки

Zmin >

0,5 ,2

411

0,5

(2V^F-1),

(18)

(19)

(20) (21)

(22)

ю

^тах -

4. Для перенаклепа

\0,5

^шт >

Кг,

22,6 Ск

+ 20

1-ц<

СкаТ

Ска.

0,5

(гл/ГнГ1-!);

(23)

Кг

22,6 Ск

0,5 ^

(2л/1+?"-1).

(24)

Были приняты зависимости для расчета параметров геометрии деформирующей части инструмента:

Г,шп~(0,35...2)112исх, (25)

Ггаах ~ (0,4.. ,40) 11г„сх. (26)

в четвертой главе были проведены исследования с целью уточнения теоретических положений, используемых в работе, и получения дополнительных зависимостей для прогнозирования качества поверхности после ОУО ППД Результатом обработки опытных данных стали экспериментальные значимые и адекватные зависимости для прогнозирования параметров качества внутренних цилиндрических поверхностей деталей из конструкционных леги-

ГмТУопп;°тбрабОТ£ГЫХ алмазньш выглаживанием, в зависимости от режима иУО ППД. Таким образом, уравнения регрессии имеют вид-

Ыа = 0,342рг°'6278о^-И6у1'221; к = 0,527р?,п8о~°'171 V"0'1; И = 1,552р°'3298 °.957у-°'322;

8ш\у = 1153,453]-|-899р-0-8,58т№(;0'092; = Ю16,388 ]^'13р-4'075ка -5-508

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

Давление в контакте, МПа; 80- продольная подача, мм/об; V- ско-Г ' жестк0сть ДеРжавкя инструмента, НУмм; Япт,- шаг —™ П°ВерХН0СТИ Заготовки' Ка0-шеРоховатость поверхности заго-

Была выявлена степень влияния параметров режима обработки на паса-метры качества поверхности образцов (рис. 6, 7) отки на пара

агмям« факторов на Ь

Рис. 6. Степень влияния входных факторов при ОУО ППД внутренних поверхностей на параметры качества поверхностного слоя детали

Рис. 7. Степень влияния входных факторов при ОУО ППД на параметры качества внутренних поверхностей поверхностного слоя детали

В результате проведения экспериментов выяснилось, что требуется корректировка принятых в расчете зависимостей для определения усилия упрочняющей обработки ППД в связи с тем, что максимальное экспериментальное значение коэффициента упрочнения зависит от твердости и физико-механических свойств материала заготовки. Предложено использование зависимости для расчета максимально возможного коэффициента упрочнения материала заготовки в зависимости от ее физико-механических свойств:

_ о. (32)

шах

к =

а

Среднее относительное отклонение рассчитанных по данной зависимости коэффициентов упрочнения от экспериментальных составляет 17/о.

В пятой главе была определена структурная схема выбора рациональных условий ОУО ППД, выявлены основные параметры, влияющие на выоор метода ОУО ППД. Был разработан алгоритм выбора условии ОУО 1ШД, Олок-

схема которого представлена на рис.8. 11т„

Определена зависимость для расчета производительности (обратна штучному времени на операцию ППД):

(33)

штр ЮООУБ/ 7-106Р

где 1- длина заготовки, мм; <1- диаметр заготовки, мм; V- скорость резания, м/мин- Б0- подача, мм/об; р- контактное давление в зоне инструмент-заготовка, МПа- Р- усилие обработки, Н; НУ- твердость обрабатываемого материала.

Определена зависимость для расчета минимальных приведенных затрат.

Чп.р - юштр+ т 1Х1сА1 т Т Т Т (34)

= 7-106Р ' 7-10 Р

где К. = Сзс +Са +Спр +СЭН +СП;С3,- заработная плата станочника (с начислением в фонд соцстраха); С,- амортизационные отчисления на замену станка;

Спр- затраты на амортизацию и ремонт универсальных приспособлений- С - затраты на силовую электроэнергию; Сп- затраты по эксплуатации помещений-М- инструментальные расходы, приведенные к одному периоду стойкости- Т -время, затрачиваемое на каждую смену инструмента, мин; Т- период стойкости инструмента, мин. р 11

Так как имеющаяся задача является многокритериальной, необходимо рассчитать обобщенный (комплексный) критерий оптимизации, который основан на объединении частных критериев 1штр(У,80)и Сш|р(У,80) в один инте-тральный критерий:

__р(УА) = Фащт.р(У,8ДС0п.р(У,80)).

Конфигурация,материал детали, твердость,размеры, требуемые ПКПС детали

Рекомендуемый метод обработки Алмазное еыгпахшнив

тонкостенная деталь 4

либо НйСз>50; либо йэ 0.02...0,04шв»; либо > 100км,,

Рекомендуемые методы обработки Раскатывание либо Алмазное «ыгштние

© Вид обработки ППЦ-отдепочная. отделочно-упрочнящая, упрочняющая

© Допустимое усилие в зоне обработки Рдоп 1исходя из жесткости заготовки)

Ж

Щ Выбор метода

/

Л

© Определение рабочего давления и усилия для данною вида обработки

€ НЕТ \ -—-С Р<РЛ я \

__ Возможности

методов

ОУО ППД

Качество обработки поверхности перед

^___ОУО ППД

Т ДА

Выбор параметров инструмента

>

© Расчет продольной подачи 5 назна чение скорости V

л

© Оптимизация целевой Функции I вывод оптимальных режимов 1 и рекомендаций |

Рис. 8. Блок-схема алгоритма выбора рациональных условий при ОУО ППД

Используем аддитивный критерий для объединения двух параметров, так как существенное значение имеют абсолютные значения критериев при выбранном векторе параметров X = рСУ,Б0),С0пр(У,Б0)/.

Для получения совмещенного критерия из зависимостей (33) и (34), имеющих различную размерность, одним из методов свертки необходимо привести величины 1штри Сопр к безразмерному виду. Для этого разделим правые

и левые части выражений (34) и (35) на некоторые условно принятые средневзвешенные нормирующие делители 1штсри Соп.ср В качестве нормирующих

делителей используем значения 11КТСри Соп.ср заранее известных значениях скорости и подачи. После введения весовых коэффициентов для частных критериев СгиС„ получим целевую функцию:

М (]|Тг.м-р-Б0-У2-НУ^

Р(У,80) =

1000УБ„ 7-10 Р

а . ы

I ... 1000УБ„ 7-10 Р

шт.ср

+ МрБ0У2НУ _Сд--^ (35)

7- 106Р Сопср

В результате обзора методов оптимизации для реализации алгоритма используем метод штрафных функций с целью преобразования условной задачи оптимизации в безусловную (что позволяет использовать для последующей оптимизации более простые методы).

Основная цель данного метода - преобразование задачи нелинейного программирования (с ограничениями V <200; Б0 <0,5) в последовательность задач безусловной минимизации.

Вводим штрафные функции в(У,Б0), которые подбираются так, чтобы

, 2У-400 „ 2Б0 -1 УР (У,Б0) мало отличалась от УР(У,Б0): =-- , 2 •

Новая целевая функция примет вид

♦ ЮООУБ. 7-10 Р

1чгг1 I • П-^ • \'2

Р(У,Б0) =

Ый Т -р-Б -V -НУЧ

1У1и /1 *хм г О__Ч

1000УБо 7-10 Р J * шт.ср

МрБ0У2НУд. + к(2Х^т)\(36)

Далее минимизируем данную функцию методом градиентного спуска при различных значениях к (рис.9).

На рис.9: е - заданный параметр, характеризующий точность нахождения экстремума; УР(У,80)- вектор-градиент целевой функции;

VF(V,S

) | - модуль вектора-градиента це-

левой функции; |VF(V,S ) 1= ¿р2(уЛ) dF2(V,S0)

1 1 dV dSc '

Качественное применение математической модели и ее достоверность значительно зависит от технических ограничений, которые накладываются на описываемый процесс и его параметры. Выбор конкретного ограничения обусловлен технологическими, конструкционными и организационно-производственными условиями. Были выделены основные особенности построения модели для ОУО ППД.

Методика, разработанная в данной работе, применима только к процессам ОУО ППД, при протекании которых натяг инструмента и заготовки меньше очага деформации обрабатываемой поверхности.

Для тонкостенных (^-=12,5...40), нежестких (¿>12) деталей и деталей s D

высокой твердости (ВД.Сэ>50) может быть применимо только алмазное выглаживание.

Введено ограничение, которое устанавливает допустимое значение радиального усилия, учитывая жесткость заготовки.

Накладываем ограничения на максимальные и минимальные значения S0 и V: S0 =0,02...0,1мм/об для алмазного выглаживания, S0 = 0,05...2,5мм/об для раскатывания и обкатывания, V=20.. .200м/мин (с учетом обзора литературы).

Результатом выполненной работы является программа, написанная в среде Borland C++Builder, которая позволяет автоматически заполнять операционную карту и дает рекомендации по выбору рационального вида ОУО ППД и режима обработки с учетом требуемого качества поверхности детали.

оутлт,

Введите исходные данные (по чертежу детали) Рекомендации

шо^забэтьваеней гетердажти

[ ............. Видобрабопи

* адп^ня^чюшдРйчеозл Г чзружничмлидачесгая

\ А»М ' ]139

диэмшр НО

материал дета™ раъ40)С(35 то) требуяшГКПСйетш

тераШЛХг>1Ч,№М '-(¡¡Г* гяубдаумсюч-кшНли |о,6Г Каэф. угшмзн/я к ¡и*

В6Ы6М В39ффЩ1МЫ

Ргс

;й <н

| ртделочно-угданяощая

I ф

У////////////77Щ

ш

|Р£КОУЕНДАЦ/М

Ю.Рекомендуемьй метод обработки алмазное выглаживание ¡1.Рекомендуемый радиус деформирующем части инструмента 5 мм

^ г.Рекомендуемое усилие обработки 97 Н

3.РекоюенАуемьм вид обработки Отделочно-упрочншцая

4.Пршуск на деталь не требуется

У-х

139

0.14

93

...—1 . 1.71—"П-г-—П~....., т

_, №К '

Рис. 10. Заполнение операционной карты для обработки детали «Цилиндр»

о ь о\ г?

» »

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

^корректированы теоретические зависимости для определения рабочего уси-

2. Получена экспериментальная зависимость шага волнистости от значения жесткости державки, исходного шага волнистости заготовки и давления в зоне контакта.

3. Определены теоретические зависимости для расчета ПКПС и точности обработки заготовки на операции, предшествующей деформированию

4. Спроектированы и изготовлены державки для алмазного выглаживания внутренних поверхностей.

5. Разработана программа, написанная в среде Borland С-и-Builder, которая позволяет автоматически заполнять операционную карту и дает рекомендации по

работки *3аци0нальных У-в„й ОУО ПОД, применимо к данным условиям об-ЬХъмы Раб0ТЫ ПриД™ дая обработки детали «Цилиндр», черт. 002-

30832-00СБ (для условий ОАО «192 ЦЗЖТ»), 1 1

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ H РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Федонин, О.Н. Научное обоснование выбора режимов обработки при по-КГГб" О.Н.Федонин, C.B.Степошина//

2 Федонин, О.Н. Определение параметров режима обработки при обкатывании

ГГп„^оГИНГлЧеС.КИХ П0ВерХН0СТСЙ ' °-Н- Федонин, СБ. Степ" Прокофьев, O.A. Горленко //Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии №6-3(290)2011,- С.66-73. проолемы

3 Степошина C.B. Разработка алгоритма для автоматизации выбора режима поверхностного пластического деформирования поверхностей стальных™ леи/ Вестник БГТУ №3(35)2012, С. 51-56. дета

Другие публикации:

!0С™ННа' °'В" °™ИЗаЦИЯ ВЫбора Условий обработки стальных деталей по различным критериям// Материалы Международной научно- практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных про" цессов в экономике, науке, образовании», Брянск: БГТУ, 2010- С 214-215 5 Степошина C.B. Определение скорости обработки при поверхностной пластическом деформировании// Материалы Международной научно Г^е-скои конференции «Достижения молодых ученее «развитии шиовац'иоТых процессов в экономике, науке, образовании», Брянск: БГТУ, 2010- С. 258-260.

6 Степошина, C.B. Расчет рабочего усилия при обработке поверхностным пластическим деформированием// Исследования и разработки в области машиностроения, энергетики и управления: материалы X межд. межвуз. науч -техн. конф. студентов, магистрантов и аспирантов, Гомель 29-30 апреля 2010 г.

Гомель: ГТТУ им. П.О. Сухого, 2010.- С. 14-17.

7 Степошина C.B. Назначение режимов обработки при ОУОППД// Материалы региональной научной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области», Брянск: БГТУ, 2010-C.80-82.

8 Степошина C.B. Технологическое повышение качества поверхности методами отделочно- упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием (ОУО ППДУ/ Менеджмент качества продукции и услуг: материалы

3-й междунар. науч.- техн. конф. (27-28 апр. 2010г., г. Брянск)/ под ред. O.A. Горленко: в 2 т.- Брянск: БГТУ, 2010.-Т.2.-С.253-255. _

9 Федонин, О.Н. Определение припуска при отделочно- упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием/ О.Н. Федонин, C.B. Степошина // Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011):Сб. тр. 3-й междунар на-уч.-техн. конф., г. Брянск, 19-20 мая 2011г., Брянск: Десяточка, 2011,- С.157-

159.

10 Федонин, О.Н. Определение размера заготовок при отделочно-

упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформирование^ Машиностроение и техносфера XXI века/ О.Н. Федонин С.В Степошина // Сб^ тр. Международной науч.- техн. конф. в г. Севастополе 12-17 сентября 2011. В

4-х т. Донецк: ДонНГТУ, 2011. T.3-C. 145-147.

11 Федонин, О.Н. Определение параметров режима обработки при обкатывании наружных цилиндрических поверхностей/ О.Н. Федонин, С.В Степошина // Фундаментальные проблемы техники и технологии -Технология-2012: со. тезисов и аннотаций научных докладов XV международной научно-техническои конференции, г. Орел, 5-8 июня 2012г.- Москва-Орел.:«Спек1р», 2012,- С.139 12. Федонин, О.Н. Разработка алгоритма автоматизации выбора режима UYU ППД цилиндрических поверхностей стальных деталей/ О.Н. Федонин, С.В. Степошина // Машиностроение и техносфера XXI века// Сб. тр. Международной науч.- техн. конф. в г. Севастополе 17-22 сентября 2012. В 3-х т. Донецк: ДонНГТУ, 2012. T.3-C.29-32.

Подписано в печать 24 . 04 ,2013г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. - изд. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 231 Бесплатно. Издательство Брянского государственного технического университета 241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7. Телефон 58-82-49

ФГБОУ ВПО БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

СТЕПОШИНА СВЕТЛАНА ВИКТОРОВНА

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОБКАТЫВАНИЯ И АЛМАЗНОГО ВЫГЛАЖИВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Специальность: 05.02.07 «Технология и оборудование

На правах рукописи

04201358150

механической и физико-технической обработки»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф.

Федонин Олег Николаевич

БРЯНСК 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ.............................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................5

ГЛАВА 1. Анализ состояния исследуемого вопроса................................8

1.1. Основы выбора рациональных условий технологических процессов механической обработки..................................................................8

1.2. Теоретические аспекты технологии ИНД.....................................12

1.2.1. Технологическая сущность 1111Д............................................13

1.2.2. Классификация методов ППД.................................................15

1.3. Отделочно-упрочняющая обработка ППД....................................18

1.3.1. Классификация ОУО ППД.......................................................18

1.3.2. Влияние условий ОУО ППД на качество поверхностного слоя детали......................................................................................................20

1.3.3. Возможности использования методов ППД для повышения качества деталей машин...............................................................................28

1.4 Выводы, цель, задачи исследования...............................................30

ГЛАВА 2. Методика проведения исследования......................................32

2.1. Общая методика проведения исследований..................................32

2.2. Используемые материалы и образцы.............................................33

2.3. Оборудование, используемое для получения образцов...............36

2.4. Инструменты, используемые для ППД.........................................36

2.5. Контрольно-измерительные приборы............................................38

2.5.1. Тарировка алмазных выглаживателей....................................38

2.5.2. Измерение твердости образцов...............................................42

2.5.3. Измерение параметров шероховатости поверхности............44

2.5.4. Измерение параметров микротвердости поверхности..........45

2.6. Методика измерения микротвердости...........................................46

2.7. Математический аппарат................................................................48

2.8. Общие положения статистической обработки данных................49

2

2.8.1. Обработка результатов ОУО ППД наружных поверхностей .........................................................................................................................49

2.8.2. Обработка результатов ОУО ППД внутренних поверхностей .........................................................................................................................50

ГЛАВА 3. Теоретическое исследование процесса ППД и формирования качества поверхностного слоя.............................................................................54

3.1. Исследование влияния параметров режима обработки на параметры качества обрабатываемой поверхности.......................................54

3.1.1. Исследование влияния рабочего усилия................................54

3.1.2. Исследование влияния подачи.................................................58

3.1.3. Исследование влияния скорости.............................................61

3.2. Исследование влияния радиуса деформирующей части инструмента на геометрические параметры качества поверхности............63

3.3. Влияние геометрических параметров качества поверхности заготовки на параметры качества детали при ОУО ППД.............................64

3.4. Исследование влияния жесткости державки на шаговые параметры качества поверхности заготовки..................................................67

3.5. Выбор СОЖ для ОУО ППД............................................................68

3.6.Вывод ы...............................................................................................68

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований влияния

режима ОУО ППД на качество поверхности детали.....................................70

4.1. Планы экспериментов и результаты..............................................71

4.1.1. Обкатывание наружных поверхностей...................................71

4.1.2. Алмазное выглаживание наружных поверхностей...............74

4.1.3. Алмазное выглаживание внутренних поверхностей.............75

4.2. Корректировка зависимостей для расчета усилий обработки.....80

4.3.Вывод ы...............................................................................................86

ГЛАВА 5. Реализация результатов работы..............................................87

5.1 Структурная схема выбора рациональных условий ТП ОУО ППД .............................................................................................................................87

5.2. Определение зависимостей для выбора рациональных условий ТП ОУО ППД.....................................................................................................91

5.2.1. Определение критерия максимальной производительности91

5.2.2. Определение критерия минимальных приведенных затрат.93

5.2.3. Определение комплексного критерия оптимизации.............96

5.2.4. Определение ограничений.....................................................98

5.3. Разработка программы для автоматизации выбора режима ОУО ППД...................................................................................................................100

5.4. Реализация результатов применимо к условиям ОАО «192 ЦЗЖТ»..............................................................................................................104

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................107

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Качество поверхностного слоя существенно влияет на эксплуатационные свойства деталей машин [4, 6, 34, 55, 56, 72, 98, 100, 102, 103, 104]. Формировать качество поверхности детали можно с помощью различных методов обработки [15, 38, 42, 68, 101, 103, 104, 108]. Среди них широко распространены методы отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием (ОУО ППД) [6, 7, 37, 55, 62]. Pix преимуществами являются технологическая надежность и экономичность.

При анализе возможностей методов ОУО ППД для повышения качества поверхности деталей машин было выявлено, что одно и то же сочетание параметров качества поверхностного слоя (ПКПС) можно получить различными методами ОУО ППД. Следовательно, необходимо обосновать эффективность технологической операции пластического деформирования и ее элементов.

Основной целью технологического процесса в машиностроении является обеспечение заданных параметров качества детали наиболее производительным путем при минимальных затратах. Отсюда следует, что необходимо учитывать два критерия: максимальная производительность и минимальные приведенные затраты.

Обеспечить требуемое качество внутренних цилиндрических поверхностей значительно сложнее, чем наружных цилиндрических поверхностей. Также определенные ограничения накладывает жесткость инструмента при обработке внутренних цилиндрических поверхностей.

В связи с этим целыо данной работы является выбор рациональных условий ОУО ППД стальных деталей по комплексному критерию, включающему в себя производительность и приведенные затраты.

Целью работы является создание нормативной документации, алгоритма и рабочей программы для выбора рациональных условий ОУО ППД с учетом критериев производительности и приведенных затрат.

Для достижения данной цели решены следующие задачи:

1. Определены теоретические зависимости для расчета параметров режима обработки (Р, S0, V).

2. Проведена экспериментальная проверка и корректировка зависимостей по учету влияния данных компонентов на ПКПС детали.

3. Составлен алгоритм для расчета ПКПС и точности на предшествующей операции.

4. Определены зависимости выбора рациональных условий операции ОУО ППД (по критериям максимальной производительности и минимальных приведенных затрат).

5. Разработан алгоритм работы программы по выбору рациональных условий ОУО ППД.

6. Разработана программа, результатом работы которой является готовая технологическая документация на операцию ОУО ППД.

Методика исследований.

В ходе выполнения работы использовались основные положения технологии машиностроения, положения контактирования твердых тел, инженерии поверхности. Экспериментальные исследования проводились методами классического эксперимента и множественного регрессионного анализа.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Скорректированные теоретико-экспериментальные зависимости для определения рабочего усилия ОУО ППД для обеспечения требуемого качества поверхности детали, учитывающие физико-механические свойства материала заготовки, качество ее поверхности и параметры деформирующей части инструмента.

2. Экспериментальная зависимость шага волнистости поверхности детали от значения жесткости державки, исходного шага волнистости заготовки и давления в зоне контакта при алмазном выглаживании (для внутренних поверхностей).

Научная новизна.

1. Теоретико-экспериментальные зависимости для определения компонентов режима ОУО ГТПД (Р и S0) с учетом физико-механических свойств материала заготовки, качества ее поверхности и параметров деформирующей части инструмента.

2. Зависимости для расчета ГЖПС, размеров и точности обработки заготовки на операции, предшествующей ОУО ППД.

3. Экспериментальная зависимость шага волнистости поверхности детали от значения жесткости державки, исходного шага волнистости заготовки и давления в зоне контакта при алмазном выглаживании (для внутренних поверхностей).

Практическая значимость.

1. Теоретико-экспериментальные зависимости для определения компонентов режима ОУО ППД (Р и S0) с учетом физико-механических свойств материала заготовки, качества ее поверхности и параметров деформирующей части инструмента.

2. Зависимости для расчета ПКПС, размеров и точности обработки заготовки на операции, предшествующей ОУО ППД.

3. Программное обеспечение для выбора рациональных условий обработки и формирования операционной карты, для обеспечения требуемого качества поверхности детали.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА

1.1. Основы выбора рациональных условий технологических процессов механической обработки

Основная цель любого технологического процесса - обеспечение характеристик качества изделия наиболее производительным путем при минимальных затратах. Выбор наилучшего варианта из множества возможных осуществляется с помощью методов оптимизации.

При комплексном подходе необходимо учитывать два вида оптимизации: структурную и параметрическую. Применительно к первому виду в работе будут рассмотрены вопросы определения ПКПС заготовки на предшествующей стадии обработки. Параметрическая оптимизация включает определение рациональных параметров режима ОУО 1111 Д.

Производить оптимизацию можно по различным критериям, однако все они должны удовлетворять определенным требованиям:

1. Обладать достаточной полнотой описания объекта;

2. Иметь определенный физический смысл;

3. Быть количественными и выражаться однозначно некоторым числом;

4. Иметь простой математический вид;

5. Определяться с допустимой точностью.

В зависимости от вида и уровня задач оптимизации (расчет режимов резания, проектирование операции и технологического процесса или оценка работы предприятия в целом) основные используемые критерии оптимальности можно подразделить на следующие виды [52, 57, 63, 74].

1. Стоимостные (экономические): минимальная себестоимость; наименьшие народнохозяйственные приведенные затраты; наименьшие приведенные хозрасчетные затраты; наибольшая прибыль; рентабельность; минимальный уровень затрат на производство (минимальные затраты на элек-

трическую и другие виды энергии, на основные и вспомогательные материалы, на фонд заработной платы и др.).

2. Функциональные (технико-экономические): максимальная производительность; наименьшее штучное время; основное и вспомогательное время; коэффициент полезного действия оборудования; надежность работы системы оборудования или отдельных ее элементов; станкоемкость изделия; стабильность технологического процесса обработки.

3. Технологические: точность изготовления изделия, показатели качества поверхности изделия (шероховатость, волнистость, микротвердость, остаточные напряжения и др.); физико-химические свойства изделий; стойкость инструмента.

4. Эксплуатационные: износостойкость; усталостная прочность; контактная жесткость и другие показатели долговечности изделий.

5. Прочие: психологические; эстетические, эргономические.

Наибольшее распространение при решении задач оптимизации

технологического проектирования получили экономические и технико-экономические критерии оптимальности. Это связано с тем, что в основе разработки любого ТП или решения более частной задачи, например, расчета режимов резания, лежат два принципа: технический и экономический. В соответствии с первым принципом технологический процесс должен гарантировать выполнение всех требований на изготовление изделия. Второй принцип условия, обеспечивающий минимальные затраты труда и наименьшие издержки производства. Первый принцип наиболее полно отражается минимальной себестоимостью из группы экономических критериев, а второй - максимальной производительностью из группы технико-экономических критериев.

Технологические и эксплуатационные критерии оптимальности используются при обеспечении требуемого качества наиболее ответственных изделий (точности, качества поверхности, физико-химических свойств и др.),

а также эксплуатационных свойств отдельных деталей, определяющих надежность и долговечность машин [18, 40,74, 87, 95].

Все задачи оптимизации функции f (х) можно разделить по различным критериям:

а) По наличию ограничений

- задачи с ограничениями (условная оптимизация);

f(x) -> min,

h(x) = 0,

g(x) > 0,

xl < х < х2.

- задачи без ограничений (безусловная оптимизация);

f(x) —> min,

х е En.

б) В соответствии с размерностью вектора х:

- задачи с одной переменной (одномерный вектор х);

- задачи с несколькими переменными х.

г) По количеству критериев оптимизации:

- однокритериальные задачи;

- многокритериальные задачи. [18, 52, 82, 83, 114]

Различные методы оптимизации применяются для разных видов условий задачи (таблицы 1.1, 1.2 и 1.3) [18, 52, 82, 83, 114].

В данной работе будет производиться расчет оптимальной скорости резания и подачи по критериям наибольшей производительности и наименьших приведенных затрат. Как правило, наиболее производительный режим является и наиболее затратным [5, 87]. Поэтому необходимо решить задачу многокритериальной оптимизации путем построения компромиссной целевой функции.

Таблица 1.1

Методы, применяемые для безусловной оптимизации функции одной

переменной

Метод оптимизации Решаемые задачи

1. Классический метод Детерминированные задачи, заданные дифференцируемой функцией

2. Методы исключения интервалов (одномерные методы поиска) 2.1 Метод перебора; 2.2 Метод дихотомии (деление отрезка пополам); 2.3 Метод Фибоначчи; 2.4 Метод золотого сечения. Детерминированные унимодальные функции, как непрерывные так и разрывные

3. Методы полиномиальной аппроксимации 3.1 Использование квадратичной аппроксимации; 3.2 Метод Пауэлла. Детерминированные унимодальные функции, непрерывные

Таблица 1.2 Методы, применяемые для условной оптимизации

Метод оптимизации Решаемые задачи

1. Методы линейного программирования Целевая функция линейна

2. Методы штрафных функций (Метод множителей Лагранжа, Метод последовательной безусловной оптимизации, Метод барьерных поверхностей) Задачи нелинейного программирования, преобразование условной задачи оптимизации в безусловную

3. Методы поиска (Метод Бокса, Метод Холтона) Задачи нелинейного программирования

Таблица 1.3

Методы, применяемые для безусловной оптимизации функции многих

переменных

Метод оптимизации Решаемые задачи

1. Классический метод Детерминированные задачи, заданные дифференцируемой функцией

2. Методы прямого поиска

2.1 Методы, основанные на вычислении только целевой функции(Метод поиска по симплексу, Метод поиска Хука-Дживса, Метод сопряженных направлений Пауэлла, Метод Нелдера-Мида, Метод случайного поиска); Детерминированные унимодальные функции, как непрерывные так и разрывные

2.2 Градиентные методы, в которых используются точные значения производных(Метод Коши, Метод Ньютона); Детерминированные унимодальные функции, непрерывные

2.3 Методы второго порядка, где используется вторая производная (Метод Марквардта) Детерминированные унимодальные функции, непрерывные

1.2. Теоретические аспекты технологии ППД

Методы ППД широко применяются на финишных операциях

технологического процесса вместо абразивной обработки. Они позволяют

повысить усталостную прочность, контактную жесткость, износостойкость

деталей машин [34, 55, 56, 59, 65, 78 ].

Существенное развитие данная технология получила в 1950-1980гг.

Большой вклад в развитие данного научного направления внесли

работы: Алексеева П.Г., Бабичева А.П., Балтера М.А., Бараца Я.М.,

Беляева В.И., Блюменштейна В.Ю., Браславского В.М., Горленко O.A.,

12

Дрозда М.С., Киричека A.B., Коновалова Е.Г., Кудрявцева И.В., Одинцова Л.Г., Олейника Л.В., Папшева Д.Д., Петросова В.В., Попова М.Е., Проскурякова Ю.Г., Рыковского Б.П., Розенберга O.A., Сидоренко