На правах рукописи

ЗОТОВ Евгений Валерьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБЪЕМНОЙ

ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ГРАНУЛИРОВАННЫМИ

РАБОЧИМИ СРЕДАМИ ПУТЕМ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЗАГРУЗКИ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор ЗВЕРОВЩИКОВ Владимир Зиновьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор СЕЙНОВ Сергей Владимирович;

кандидат технических наук ЧЕРНИКОВ Владислав Сергеевич.

Ведущая организация – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенская государственная технологическая академия».

Защита диссертации состоится 26 декабря 2011 г., в часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет». Автореферат диссертации размещен на сайте Министерства образования и науки РФ.

Автореферат разослан «» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент Воячек И. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение качества и конкурентоспособности машиностроительной продукции путем внедрения эффективных инновационных технологий является необходимым условием развития отечественного машиностроения в современной рыночной экономике.

Практически во всех отраслях промышленности, особенно в машиностроении, неуклонно возрастает удельный вес объемной отделочнозачистной обработки (ОЗО) деталей гранулированными рабочими средами (ГРС) для механизации таких трудоемких операций, как шлифование, полирование, подготовка поверхностей под покрытия, удаление заусенцев и скругление кромок. Трудоемкость операций ОЗО достигает до 20 % общей трудоемкости изготовления деталей, так как они выполняются вручную или средствами малой механизации. Наиболее широкое распространение получили галтовочная, вибрационная и центробежно-ротационная обработка. В последние годы все большее применение находит перспективная и более производительная центробежная обработка в контейнерах с планетарным вращением, которая позволяет создать давление частиц ГРС в 20–25 раз большее, чем при вибрационной обработке.

Существенным недостатком, присущим всем методам отделочнозачистной обработки, в том числе и центробежной, является наличие в рабочей камере или контейнере зон различной интенсивности воздействия гранул на обрабатываемые поверхности деталей, причем большая часть деталей и гранул оказывается в зоне относительного покоя, называемой застойной зоной.

В застойных зонах замедляется перемещение гранул относительно поверхностей обрабатываемых деталей, что приводит к нарушению стабильности обработки. Поэтому возникает необходимость разбраковки неудовлетворительно обработанных деталей, их повторной обработки или ручной дополировки труднодоступных участков профиля, что существенно повышает трудоемкость отделочно-зачистных операций. В настоящее время относительное движение ГРС и поверхностей деталей достигается за счет вращения или вибраций контейнера с постоянной скоростью.

В отличие от ранее известных способов предлагается для повышения стабильности центробежной обработки и качественных характеристик труднодоступных участков фасонного профиля деталей интенсифицировать относительное движение гранул и поверхностей деталей вращением контейнера с переменной скоростью при радиальных осцилляциях стенки.

В этом случае происходит дополнительное движение гранул относительно поверхностей деталей, циклически разрушается застойная зона, что создает условия для повышения стабильности формирования однородной шероховатости по профилю детали и интенсифицируется съем металла.

Поэтому тема исследования, направленная на совершенствование центробежной ОЗО путем интенсификации движения рабочей загрузки в объеме контейнера, является актуальной.

Цель работы: повышение качества поверхностей и производительности центробежной обработки деталей, преимущественно сложной формы, путем интенсификации движения рабочей загрузки за счет плавного циклического изменения действующих инерционных сил.

Объект исследования – технологическая операция центробежной отделочно-зачистной объемной обработки гранулированными абразивными средами на полимерной связке.

Предмет исследования – взаимосвязи технологических режимов и условий центробежной обработки при интенсификации движения рабочей загрузки, обеспечивающие заданные показатели качества поверхности и повышение производительности процесса.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

– установить закономерности движения рабочей загрузки для нового способа обработки и определить динамическое воздействие гранул на обрабатываемые поверхности;

– разработать математическую модель контактного взаимодействия абразивных гранул на полимерной связке с обрабатываемыми поверхностями деталей для прогнозирования шероховатости поверхности на основе взаимосвязи технологических режимов и конструктивных параметров центробежных устройств;

– выполнить экспериментальные исследования влияния технологических факторов на качественные характеристики поверхностного слоя и оценить адекватность предложенных математических моделей;

– разработать рекомендации по регламентированию технологических режимов и условий центробежной отделочно-зачистной обработки деталей и внедрить результаты исследований в производство.

Методы исследования:

– теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теоретической механики, теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования;

– экспериментальные исследования выполнялись по методике многофакторного планирования эксперимента в лабораторных и производственных условиях на опытно-промышленной центробежно-планетарной установке с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры и поверенных приборов;

– обработка результатов опытов, моделирование и анализ проводились с использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов LS-DYNA, Excel, Delphi, а также оригинальных программных продуктов, разработанных на кафедре «Технология машиностроения» Пензенского государственного университета.

Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность научных результатов обеспечивается корректной математической постановкой задач, адекватно отражающих закономерности движения рабочей загрузки в объеме контейнера при циклическом изменении инерционных сил; подтверждается результатами моделирования процесса обработки методом конечных элементов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных и практической реализацией предлагаемой технологии в производственных условиях.

Научная новизна:

1. Выявлены взаимосвязи движения рабочей загрузки в контейнере с параметрами циклического плавного изменения скорости вращения контейнера вокруг собственной оси при планетарном движении контейнера и радиальных осцилляциях внутренней стенки, что позволило выравнять контактные давления на различных участках профиля и стабилизировать условия отделочно-зачистной обработки деталей.

2. Получены аналитические зависимости для определения кинематических и динамических характеристик гранул и деталей, что позволило разработать модель движения уплотненной загрузки в объеме контейнера и оценить контактное взаимодействие рабочей среды на различных участках обрабатываемой поверхности.

3. Впервые разработана методика прогнозирования шероховатости поверхности на основе анализа контактного взаимодействия гранул на полимерной связке с обрабатываемыми деталями с учетом статистических закономерностей распределения абразивных частиц по поверхности гранул.

4. Предложена математическая модель шероховатости поверхности при неравномерной скорости вращения контейнера и радиальных осцилляциях стенки с учетом взаимосвязи технологических режимов обработки и конструктивных параметров центробежных устройств.

5. Определено влияние технологических факторов на шероховатость поверхности и производительность обработки, представленное в виде полиномиальных моделей, полученных на основе многофакторного планирования эксперимента и статистической оценки результатов исследований.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретических исследований движения рабочей загрузки при неравномерной скорости вращения контейнера вокруг собственной оси и радиальных осцилляциях стенки контейнера.

2. Алгоритмическое и программное обеспечение для определения режимов и условий обработки, необходимых для достижения требуемого качества поверхности.

3. Методика анализа контактного взаимодействия абразивных гранул на полимерной связке с обрабатываемыми поверхностями сложного профиля для прогнозирования шероховатости поверхности по параметру Ra, разработанная на основе метода конечных элементов, с учетом статистических закономерностей распределения абразивных частиц по поверхности гранул.

4. Математическая модель формирования шероховатости поверхности при переменной скорости вращения и радиальных осцилляциях стенки контейнера.

5. Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов и условий обработки на качественные характеристики поверхности и производительность обработки.

Практическая ценность работы:

– предложен новый способ обработки, защищенный патентом РФ, позволяющий повысить качество поверхностей деталей и эффективность центробежной обработки деталей в контейнерах с планетарным вращением;

– разработано программное обеспечение для моделирования движения рабочей загрузки при планетарном движении контейнера с переменной скоростью вращения вокруг собственной оси и радиальными осцилляциями внутренней стенки, которое позволяет оценить эффективность обработки для назначенных технологических режимов;

– разработана методика прогнозирования шероховатости поверхности по параметру Ra при использовании абразивных гранул на полимерной связке в качестве рабочей среды;

– даны технологические рекомендации для регламентирования режимов и условий обработки, обеспечивающих стабильное достижение заданного качества поверхности.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на предприятиях ОАО «Пензкомпрессормаш» и ООО «Феникс ТМ», г. Пенза. Достигнуто стабильное снижение шероховатости поверхности на труднодоступных участках сложного профиля деталей при повышении производительности обработки. Годовой экономический эффект составил 674 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XIII–XV международных методических конференциях «Университетское образование» (г. Пенза, 2009–2011 гг.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации»

(г. Новосибирск, 2007 г.); IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2008 г.);

Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008 г.); всероссийских научно-практических конференциях «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (г. Пенза, 2007–2011 гг.); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (2006–2011 гг.).

Работа в полном объеме заслушана на заседании кафедры «Технология машиностроения» Пензенского государственного университета в октябре 2011 г. и рекомендована к защите.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 статей, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ (две статьи без соавторов) и получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, включает 150 страниц текста, рисунков, 8 таблиц, 4 приложения; список литературы содержит наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, приведены цель и научная новизна, практическая ценность и результаты работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор технологических методов объемной обработки, дан анализ опыта применения гранулированных рабочих сред, показана перспективность использования современных методов моделирования при изучении контактного взаимодействия абразивных гранул с обрабатываемыми деталями для прогнозирования качественных характеристик поверхности.

Существенный вклад в развитие технологии объемной обработки деталей внесли такие отечественные и зарубежные ученые, как А. П. Бабичев, Ю. В. Димов, М. А. Тамаркин, П. И. Ящерицын, Л. П. Бушуев, Г. Б. Лурье, А. Н. Мартынов, В. О. Трилисский, Г. В. Литовка, M. Matsunaga, I. Hagiuuda, K. Martin, L. E. Samuels, R. H. Brown и др.

Выполненный обзор литературных источников и опыт промышленности показал, что перспективным методом повышения качества поверхностей деталей, преимущественно со сложной конфигурацией рабочего профиля, является центробежная обработка в контейнерах с планетарным вращением, которая отличается высокой интенсивностью за счет действия на рабочую загрузку инерционных сил, многократно превышающих силу тяжести.

Большое влияние на формирование качественных характеристик поверхности оказывают гранулированные рабочие среды, предназначенные для различных методов объемной обработки. Наиболее полно выполнены исследования и разработаны рекомендации по назначению ГРС в зависимости от требований к качеству поверхности для вибрационной обработки.

При центробежной обработке деталей в контейнерах с планетарным вращением практически отсутствуют рекомендации по применению абразивных гранул на полимерной связке для достижения требуемого качества поверхности.

Характерной особенностью различных методов объемной обработки является образование в рабочей камере или контейнере областей различной интенсивности взаимодействия ГРС с поверхностями деталей, включая формирование застойных зон, в которых относительное перемещение гранул и поверхностей деталей практически прекращается. Это приводит к возникновению нестабильных показателей качества поверхности и существенно увеличивает трудоемкость отделочно-зачистных операций.

Показана актуальность дальнейших исследований для совершенствования центробежной объемной обработки. Сформулированы задачи исследования.

Во второй главе дано описание нового способа центробежной обработки в контейнерах с планетарным вращением (патент РФ № 2401730) и приведены результаты теоретического исследования движения рабочей загрузки под действием инерционных сил.

Схема движения рабочей загрузки при циклическом изменении скорости вращения контейнера и радиальных осцилляциях стенки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема движения рабочей загрузки в объеме контейнера Рабочую загрузку, состоящую из обрабатываемых деталей, ГРС и технологической жидкости, помещают в цилиндрический контейнер 1 с внутренним диаметром D, которому сообщают переносное вращение с помощью водила 2 с угловой скоростью в вокруг центральной оси 3 и с переменной угловой скоростью к вокруг собственной оси 4.

При ускорении вращения контейнеров рабочая загрузка под влияник ем инерционных сил Fи mк 0,5D, действующих на ГРС и обрабатываемые детали, например, на абразивную гранулу массой m, находящуюся на стенке контейнера в точке А, уплотняется, а гранулы переносятся стенкой контейнера со скоростью Vr к 0,5D. При этом происходит взаимное проскальзывание слоев рабочей загрузки, находящихся на различном расстоянии от оси водила (точки B и С), под действием центробежных сил инерции от вращения водила Fи mв R i (Ri – расстояние от оси 3 водила до рассматриваемой гранулы рабочей загрузки). Загрузка растекается по внутренней поверхности контейнера, стремясь замкнуться в кольцо, и дополнительно уплотняется. Под действием кориолисовых сил инерции FиК mвк D и сил инерции от вращения водила Fи в точке С частицы ГРС и детали отрываются от стенки контейнера, и на поверхности уплотненной загрузки возникает скользящий слой из абразивных гранул и обрабатываемых деталей, в котором происходит наиболее интенсивная обработка.

В момент замедления вращения контейнера масса рабочей загрузки тормозится, стремясь занять положение в зоне контейнера, наиболее удаленной от оси 3 водила (точка А), переходит зону устойчивого равновесия и занимает смещенное угловое положение, показанное пунктирными линиями на рис. 1. Если учесть, что угловая скорость к будет изменяться за каждый оборот контейнера вокруг собственной оси, то вся масса уплотненной загрузки будет совершать циклические угловые колебания вокруг зоны устойчивого равновесия (точка В) с частотой, определяемой угловой скоростью к. Застойная зона, которая формируется при установившемся движении пересыпающихся слоев рабочей загрузки вблизи центра масс уплотненной загрузки (точка S на рис. 1), разрушается при вращении контейнера с переменной угловой скоростью к.

Для выравнивания съема металла на труднодоступных участках профиля деталей (внутренние полости, радиальные пазы и отверстия) уплотненной загрузке сообщают вибрационные ускорения путем радиальных осциллирующих движений внутренней стенки контейнера, выполненной с эксцентриситетом е относительно оси вала, несущего контейнер.

Максимальная скорость вращения к контейнера 4 вокруг собственной оси ограничена условием, при котором центробежные силы инерции Fи, возникающие при вращении контейнера, уравновешивают величину сил инерции Fи от вращения водила со скоростью в. Уравнение равновесия частиц загрузки массой m в точке Е контейнера будет иметь вид Отсюда, для противоположного направления вращения контейнера и водила, найдем:

где L – расстояние между осями водила и контейнера.

При нарушении этого условия с дальнейшим увеличением скорости контейнера к обработка прекращается, так как уплотненная загрузка будет вращаться синхронно со стенкой контейнера. При этом минимальную скорость вращения контейнера к следует ограничивать соотношением кmin 0,3в, так как при меньшей угловой скорости контейнера уменьшаются глубина скользящего слоя и скорости относительного скольжения гранул и поверхностей деталей, что делает обработку неэффективной.

Для сохранения устойчивой зоны скользящего слоя на поверхности уплотненной загрузки при радиальных осцилляциях стенки контейнера величина вибрационной силы для смещенного на угол S положения загрузки должна ограничиваться условием где p и Ao – круговая частота и амплитуда осциллирующих радиальных движений стенки контейнера соответственно;

здесь и – угловые параметры (см. рис.1); S – угол смещения центра масс S уплотненной рабочей загрузки до устойчивого положения в точке В при вращении контейнера:

где A – конструктивно-технологический параметр; f – коэффициент трения рабочей загрузки со стенкой контейнера.

Математическое описание движения контейнеров с неравномерной угловой скоростью производилось методом итерационного моделирования и дало возможность определять угловую скорость контейнера в произвольный момент времени. Для принятой компоновки привода контейнеров с эллиптическими зубчатыми колесами, при величине эксцентриситета ек = 0,49 (ек = с/а, где с – фокальный радиус или половина расстояния между фокусами; а – большая полуось эллиптического колеса), изменение угловой скорости к достигает 57 % за один оборот контейнера.

Для моделирования движения рабочей загрузки на основе полученных аналитических зависимостей определения кинематических и динамических характеристик гранул и деталей в произвольный момент времени с учетом принятых граничных условий и допущений была разработана компьютерная программа «ЦПО 2011» в среде программирования Delphi.

Внешний вид главного окна и окна с результатами расчета представлен на рис. 2.

Рис. 2. «Главное окно» (а) и окно «Результаты расчета» (б) Исходными данными для программы являются технологические режимы и конструктивные параметры центробежных устройств.

К выходным показателям разработанной программы относятся параметры, описывающие контактное взаимодействие гранулированных рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей. Это величины скоростей, их направление и углы взаимодействия для любого момента времени t, а также общее количество соударений гранулированных рабочих тел как с поверхностями деталей, так и между собой.

Вычислительными экспериментами установлено (рис. 3, зависимость 1), что при скорости радиальных осцилляций Vo = 2,5…5 м/мин и прочих равных условиях существенно возрастает число контактных взаимодействий рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями, а это приводит к интенсификации съема. Дальнейшее увеличение скорости радиальных осцилляций от 5 до 7 м/мин приводит к интенсивному снижению количества контактов между гранулами и поверхностями деталей, что обусловлено вибрационным разуплотнением рабочей загрузки. Поэтому для рассматриваемых конструктивно-технологических параметров центробежного устройства следует ограничивать скорость радиальных осцилляций диапазоном Vo = 3...5 м/мин.

Рис. 3. Влияние скорости радиальных осцилляций Vo и частоты вращения водила nв на количество Sd контактных взаимодействий и величину среднего угла jср (условия обработки: nв = 100 мин–1;

Важными показателями эффективности центробежной обработки являются средняя скорость Vср контактного взаимодействия гранул с поверхностями деталей и средняя величина угла jср взаимодействия. Анализ результатов вычислительных экспериментов показал, что средняя скорость Vср возрастает пропорционально увеличению частоты вращения водила, а величина средняя угла jср контактных взаимодействий имеет выраженные экстремумы (зависимость 2 на рис. 3). Наиболее благоприятное значение углов jср контакта гранул с поверхностями деталей составляет около 45° и достигается при скоростях вращения водила nв = 80…160 мин–1.

Экспериментальная проверка результатов вычислительного эксперимента показала их удовлетворительную сходимость.

В третьей главе представлены результаты исследования микропрофиля поверхностей полимерных гранул для выявления статистических закономерностей распределения абразивных частиц на поверхностях гранул фирмы «Rsler», изготовленных в форме трехгранных призм (ПТ 2020).

Измерялись радиусы rв округления выступов, ширина b абразивных частиц и расстояние l между соседними частицами на поверхностях гранул, а также высоты h выступов частиц из полимерной связки.

Измерения проводились на металлографическом микроскопе МЕТАМ ЛВ-31 и атомно-силовом микроскопе SFM. Установлено, что распределение радиусов rв округления выступов подчиняется закону Рэлея;

распределение ширины b частиц соответствует нормальному распределению Гаусса с центром группирования размеров около 10 мкм, а расстояние l между соседними частицами на поверхности гранулы также подчиняется нормальному закону распределения и составляет в зоне экстремума 12 мкм. На рабочей поверхности гранулы преобладают частицы с высотой выступов h = 3 мкм.

Результаты моделирования в LS-DYNA позволили определить распределение деформаций после удара и отскока гранулы от поверхности детали и получить картину напряженно-деформированного состояния металла в зоне контакта (рис. 4).

Рис. 4. Картина деформированного состояния (а) и распределение Влияние частоты вращения водила nв на величину контактных напряжений на поверхности стального образца, по результатам моделирования, представлено на рис. 5. С увеличением nв возрастают инерционные силы, действующие на гранулы, и энергия удара при их контакте с обрабатываемой поверхностью, что приводит к росту напряжений в металле.

На основе выполненных исследований предложена модель формирования шероховатости поверхности в виде где p – доля расчетных напряжений, приводящих к пластической деформации металла;

hmax – высота вариационного многогранника, моделирующего выступ абразивной частицы гранулы, мкм;

rв – средний радиус округления ребер вариационного многогранника, мкм;

b – коэффициент площади контакта для шлифованных или полированных поверхностей;

– коэффициент, зависящий от закона распределения параметра l;

– поле рассеяния значений контактных напряжений при контакте гранулы с поверхностью детали, МПа;

qk – средние контактные напряжения в зоне контакта, полученные на основе вычислительного эксперимента в LS-DYNA, МПа;

M hmax rв – отношение максимальной глубины внедрения выступа абразивной частицы гранулы к радиусу округления выступа rв;

– параметр профиля шероховатости обрабатываемой поверхности;

С – коэффициент, учитывающий изменение предела текучести т обрабатываемого материала;

Е – модуль упругости материала детали, МПа;

– приведенный радиус пятна контакта на поверхности детали, мкм;

– коэффициент Пуассона;

i f (a) s – тангенс гладкости поверхности, равный производной сближения по площади s касания (1 – для абразивной гранулы, 2 – для поверхности, подвергающейся обработке).

Рис. 5. Значения контактных напряжений на исследуемом участке поверхности образца из стали 45 при различной частоте вращения водила nв:

Полученные величины напряжений p сравниваются с критическими напряжениями кр, характеризующими процесс резания. Для расчета принимают значения p кр:

Для проверки адекватности разработанной модели (7) была выполнена экспериментальная проверка в различных точках исследованного факторного пространства. Графические зависимости изменения шероховатости поверхности с увеличением частоты вращения водила, полученные по модели и определенные экспериментально, приведены на рис. 6.

Статистическая обработка результатов исследований по критерию Фишера показала, что модель (7) является адекватной с доверительной вероятностью 95 %.

Рис. 6. Влияние частоты вращения водила на шероховатость обработанной поверхности ( ---- – экспериментальная кривая;

- - - - – рассчитанная по теоретической модели) В четвертой главе описана методика и приведены результаты экспериментальных исследований нового способа обработки.

Экспериментальные исследования проводились на модернизированной опытно-промышленной центробежной установке ЦПУ-2М. Плавное изменение угловой скорости вращения контейнера вокруг собственной оси достигалось за счет использования эллиптических зубчатых колес в планетарном механизме привода контейнеров. Регулирование величины радиальных осцилляций стенки контейнера обеспечивалось с помощью эксцентриковых вставок в виде гильз из полимерного материала, позволяющих установить эксцентриситет от 3,5 до 14 мм.

Измерение шероховатости поверхности выполнялось на профилометре MarSurf PS1. Измерение массы образцов до и после обработки производилось на аналитических весах с точностью 0,0001 г. Микротвердость поверхности измерялась на автоматическом микротвердомере HVS-100.

Точность размеров и формы образцов оценивалась с помощью трехкоординатного измерительного устройства «Etalon Derby».

В качестве обрабатываемых деталей использовались образцы из различных материалов – стали 45, стали 20Х13, латуни Л63 и из стали 20 различной массы для исследования точностных параметров процесса обработки.

Были реализованы планы экспериментов 24 для образцов из стали 45, и 23 – для образцов из стали 20Х13 и латуни Л63. В качестве переменных величин были приняты следующие технологические факторы: частота вращения водила nв, мин–1; скорость радиальных осцилляций стенки контейнера Vо, м/мин; время обработки t, мин; степень заполнения контейнера Кз.

Частота вращения контейнера nк связана с частотой вращения водила nв соотношением nк = inв (для центробежной установки ЦПУ-2М i = 0,76…1,3).

Получены полиномиальные модели, характеризующие влияние основных технологических факторов на шероховатость поверхности Ra и производительность обработки Q, для образцов из стали 45:

Ra 0,7860812 0,0169594nв 0,0509677t 0,0820789Vo 1,1433692 K з 0,002903nвt 0,001587nвVo 0,0159498nв K з 0,000922tVo 0,0139785tK з 0,1336406Vo K з 0,000299n1 0,0006022t Q 0,019917 0,002066nв 0,0013931t 0,0003767Vo 0,00012437 K з 0,000016nвt 0,00004nвVo 0,000867nв K з 0,000045tVo 0,000391tK з 0,0001475Vo K з 0,0009n1 0,000428t 2 0,000223Vo В результате выполненных исследований установлено, что наиболее эффективно шероховатость поверхности снижается при скорости радиальных осцилляций Vо = 2…2,5 м/мин, частоте вращения водила nв = 160 мин–1, неравномерной скорости вращения контейнера nк = 120…210 мин–1, времени обработки t = 10…15 мин и степени загрузки контейнера Кз = 0,5…0,7.

Сообщение стенке контейнера радиальных осцилляций приводит к интенсификации съема металла, то есть к увеличению производительности обработки. Это наблюдается при частоте вращения водила выше 100 мин– и времени обработки 15 мин. Рекомендуется заполнять контейнер на 50…70 % объема, так как при большем заполнении съем металла замедляется и обработка становится неэффективной.

Применение в качестве гранулированных рабочих сред абразивных гранул на полимерной связке позволяет добиться устойчивого снижения шероховатости поверхности до Ra = 0,4…0,2 мкм, по сравнению с шероховатостью Ra = 2,5…0,8 мкм после обработки гранулами на керамической связке. Достигается стабильное снижение шероховатости в пазах и углублениях профиля деталей, а невысокая плотность гранул на полимерной связке не приводит к искажению формы профиля деталей, достигнутой на предшествующих операциях.

В пятой главе приведены практические рекомендации для внедрения разработанной технологии ОЗО в производственных условиях путем модернизации существующих или разработки новых центробежных станков.

Разработаны методика прогнозирования параметров шероховатости для нового способа ОЗО и программное обеспечение, позволяющее на основе моделирования процесса определить эффективные технологические режимы и условия обработки для достижения требуемого качества поверхности.

Установлено, что применение абразивных гранул на полимерной связке позволяет снизить шероховатость поверхности в 1,5...2 раза по сравнению с шероховатостью, достигаемой гранулами на керамической связке.

В приложениях приведены патент на изобретение, акты о внедрении, фрагмент кода разработанной программы и результаты статистической обработки результатов опытов при исследовании шероховатости поверхности и производительности обработки для образцов из различных материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Дан анализ технологических методов объемной ОЗО поверхностей деталей гранулированными рабочими средами, который показал перспективность применения центробежной обработки для повышения качества поверхностей деталей с труднодоступными участками профиля, особенно из высокопрочных материалов.

2. Предложен новый способ центробежной ОЗО гранулированными средами, который создает одинаковые условия взаимодействия гранул с обрабатываемыми поверхностями и повышает стабильность качественных характеристик на различных участках профиля за счет интенсификации движения рабочей загрузки и устранения застойных зон в объеме контейнера.

3. Выполнены теоретические исследования движения уплотненной рабочей загрузки, которые позволили установить граничные условия обработки, взаимосвязь переносного движения контейнера с водилом и неравномерного вращения контейнеров вокруг собственной оси с радиальными осцилляциями стенки контейнера. Установлен эффективный диапазон изменения угловой скорости контейнера от 50 до 60 % за один оборот при скорости радиальных осцилляций стенки от 2 до 5 м/мин.

4. Разработаны методика и программное обеспечение для анализа контактного взаимодействия гранул с обрабатываемыми поверхностями при варьировании технологических факторов, позволяющих прогнозировать шероховатость поверхности по параметру Ra. Установлено, что сообщение контейнеру переменной частоты вращения nк = 120…210 мин–1, а стенке контейнера радиальных осцилляций со скоростью 4...5 м/мин снижает параметры шероховатости поверхности до Ra = 0,4...0,2 мкм на труднодоступных участках профиля детали и повышает производительность обработки на 30–50 %.

5. Получена математическая модель формирования шероховатости поверхности, адекватно отражающая реальный процесс контактного взаимодействия гранул на полимерной связке и деталей с доверительной вероятностью 95 %.

6. Установлено, что при обработке стабильно достигается шероховатость поверхности Ra = 0,4…0,2 мкм на деталях из конструкционных стали 45, стали 20, легированной стали 20Х13 и латуни Л63 при сокращении времени обработки до 10–15 мин.

7. Разработанная технология внедрена в производство при изготовлении деталей мебельной фурнитуры, мелкоразмерных режущих инструментов, деталей замковых соединений и подготовке поверхностей широкого круга деталей для нанесения покрытий с экономическим эффектом 674 тыс. рублей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Зотов, Е. В. Моделирование взаимодействия полимерных гранул с обрабатываемыми поверхностями деталей при центробежной объемной обработке в контейнерах с планетарным вращением / В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, Е. В. Зотов // Известия высших учебных заведений.

Поволжский регион. Технические науки. – 2009. – № 3 (11). – С. 162–171.

2. Зотов, Е. В. Новый способ объемной центробежно-планетарной обработки деталей / В. З. Зверовщиков, Е. В. Зотов // Известия МГТУ «МАМИ». – 2009. – № 2 (8). – С. 209–214.

3. Зотов, Е. В. Технологическое обеспечение шероховатости при подготовке поверхностей деталей для восстановления / В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, Ю. И. Просвирнин, Е. В. Зотов // Ремонт, восстановление, модернизация. – 2011. – № 6. – С. 42–47.

4. Зотов, Е. В. Повышение эффективности центробежной отделочно-зачистной обработки деталей путем моделирования движения контейнера и рабочей загрузки / В. З. Зверовщиков, Е. В. Зотов, Е. В. Юртаева // Наука, технологии, инновации : материалы Всерос. науч. конф. молодых ученых. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007. – Ч. 3. – С. 16–17.

5. Зотов, Е. В. Моделирование движения рабочей загрузки при объемной обработке деталей в контейнерах с планетарным вращением при переносном движении водила / В. З. Зверовщиков, Е. В. Зотов // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управления проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. – Пенза, 2007. – С. 31–33.

6. Зотов, Е. В. Формирование точностных характеристик при центробежной абразивной обработке / В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, Е. В. Зотов // Проблемы качества машин и их конкурентоспособности :

материалы 6-й Междунар. науч.-техн. конф. (22–23 мая 2008 г.). – Брянск :

Изд-во БГТУ, 2008. – С. 189–190.

7. Зотов, Е. В. Формирование шероховатости поверхности при центробежной обработке деталей полимерными гранулами / Е. В. Зотов, И. В. Агейкин // Теоретические знания – в практические дела : сб. науч. ст.

Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей (секция «Проблемы современного машиностроения и автоматизации технологических процессов и производств»). Ч. З. – Омск : Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП», 2008. – С. 86–89.

8. Зотов, Е. В. Влияние технологических факторов на производительность процесса и шероховатость поверхности при центробежной обработке деталей / В. З. Зверовщиков, Е. В. Зотов, И. В. Агейкин // Теоретические знания – в практические дела : сб. науч. ст. Междунар. науч.практ. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей (секция «Проблемы современного машиностроения и автоматизации технологических процессов и производств»). Ч. 3. – Омск : Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП», 2008. – С. 7–10.

9. Зотов, Е. В. Повышение стойкости гранулированных рабочих сред при центробежной обработке деталей / В. З. Зверовщиков, А. Е. Зверовщиков, Е. В. Зотов // Современные проблемы машиностроения : тр.

IV Междунар. науч.-техн. конф. – Томск : Изд-во ТПУ, 2008. – С. 565–568.

10. Зотов Е. В. Обеспечение качества изделий на основе инноваций / В. З. Зверовщиков, С. А. Нестеров, А. В. Зверовщиков, Е. В. Зотов // Инноватизация в России: успехи, проблемы и перспективы : сб. ст. Всерос.

науч.-практ. конф. – Пенза : ПДЗ, 2008. – С. 37–39.

11. Зотов, Е. В. О применении вычислительных кластеров для профессиональных расчетов / В. З. Зверовщиков, Ю. И. Просвирнин, Е. В. Зотов // Университетское образование : сб. ст. XIII Междунар. метод.

конф. – Пенза : ПДЗ, 2009. – С. 465–469.

12. Зотов, Е. В. Точность формы деталей при абразивной обработке / В. З. Зверовщиков, Е. В. Зотов, А. В. Зверовщиков // Формообразование и обеспечение качества техногенных систем : сб. ст. Междунар. науч.практ. конф. – Пенза : Приволжский дом знаний, 2009. – С. 69–72.

13. Зотов, Е. В. Математическая модель формирования шероховатости поверхности при центробежной обработке деталей полимерными гранулами / Е. В. Зотов // Формообразование и обеспечение качества техногенных систем : сб. ст. II Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза : Приволжский дом знаний, 2010. – С. 38–42.

14. Зотов, Е. В. Построение модели контактного взаимодействия полимерных гранул с поверхностями деталей при центробежной объемной обработке в LS-DYNA / Е. В. Зотов // Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM : сб. ст. IV Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза :

Приволжский дом знаний, 2010. – С. 36–40.

15. Зотов, Е. В. Обеспечение качественных характеристик при объемной обработке деталей свободным абразивом / Е. В. Зотов, А. В. Стешнин, Д. С. Матросов // Ресурсы модернизации страны : творческая личность и изобретательство : сб. ст. – Пенза : Приволжский дом знаний, 2011. – С. 20–23.

16. Пат. 2401730 Российская Федерация, МПК В24В 31/104. Способ центробежной абразивной обработки деталей / Зверовщиков В. З., Зверовщиков А. Е., Нестеров С. А., Зотов Е. В., Юртаева Е. В. ; заявитель и патентообладатель Пенз. гос. ун-т. – № 2009109496 ; заявл. 16.03.09 ;

опубл. 20.10.10, Бюл. № 29.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБЪЕМНОЙ ОБРАБОТКИ

ДЕТАЛЕЙ ГРАНУЛИРОВАННЫМИ РАБОЧИМИ СРЕДАМИ ПУТЕМ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЗАГРУЗКИ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения Подписано в печать 22.11.2011. Формат 60841/16.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: [email protected]