Технологическое обеспечение качества поверхности при центробежной объемной обработке пустотелых деталей из труднообрабатываемых материалов

На правах рукописи

КОМАРОВ Дмитрий Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ОБЪЕМНОЙ ОБРАБОТКЕ ПУСТОТЕЛЫХ ДЕТАЛЕЙ
ИЗ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ПЕНЗА 2012

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

Защита диссертации состоится 27 декабря 2012, в 14 часов, на за-седании 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 разослан 26 ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокий уровень требований к качеству и конкурентоспособности изделий машиностроения может быть обеспечен на основе совершенствования известных и разработки новых технологических процессов и операций.

В современной промышленности происходит частая смена объек-та производства, поэтому требуется создание технологических процессов, обладающих высокой гибкостью и универсальностью для обработки широкой номенклатуры деталей. На финишных и зачистных операциях широко используют объемные методы обработки гранулированными рабочими средами, которые обеспечивают копирование сложных форм обрабатываемых поверхностей деталей без изготовления специальных инструментов.

Несмотря на большое разнообразие методов объемной обработки, проблемный характер носят полирование и зачистка поверхностей пустотелых тонкостенных деталей, полученных листовой штамповкой или литьем. К ним относятся корпусные детали разнообразных дат-чиков, элементы светотехнической и санитарно-технической арматуры, игровых и бытовых устройств, мебельной фурнитуры. Большинство из этих деталей изготавливают из легированных сталей или титановых сплавов, которые обладают высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью. Известные методы объемной обработки пустотелых деталей сложной формы являются малоэффективными, поскольку детали всплывают на поверхность рабочей загрузки, что делает невозможным контактирование абразивных гранул с обрабатываемой поверхностью по всему профилю.

Перспективной для решения подобных задач является цент-робежная отделочно-зачистная обработка в контейнерах с планетарным вращением, которая отличается высокими давлениями при контакте уплотненной абразивной среды с поверхностями детали.

Известные модели процесса центробежной обработки требуют определения целого ряда эмпирических коэффициентов и не учитывают особенности обработки пустотелых деталей, что затрудняет управление показателями качества получаемой поверхности.

Поэтому совершенствование объемной абразивной обработки поверхностей пустотелых тонкостенных деталей из труднообрабатываемых материалов, в частности легированных сталей и титановых сплавов, является актуальным.

Объект исследования – центробежная объемная обработка пустотелых тонкостенных деталей в контейнерах с планетарным вращением.

Предмет исследования – взаимосвязи технологических режимов и условий центробежной обработки с качеством поверхности пустотелых тонкостенных деталей из труднообрабатываемых материалов, в частности легированных сталей и титановых сплавов.

Цель работы – определение эффективных режимов и условий объемной обработки гранулированными средами в контейнерах с планетарным вращением для обеспечения стабильного качества поверхностей пустотелых деталей из труднообрабатываемых материалов.

Задачи исследования:

1 Разработать способ абразивной обработки пустотелых деталей в контейнерах с планетарным вращением.

2 Исследовать движение пустотелой детали в скользящем слое при каскадном режиме перемещения загрузки и разработать на этой основе методику определения режимов обработки и параметров технологического оснащения, обеспечивающих стабильное качество поверхностей тонкостенных пустотелых деталей.

3 Выполнить экспериментальные исследования для оптимизации технологических режимов отделочной обработки пустотелых деталей из труднообрабатываемых легированных сталей и титановых сплавов в контейнерах с планетарным вращением.

4 Разработать модель контактного взаимодействия абразивных гранул с поверхностью детали для управления формированием качественных показателей поверхности.

5 Разработать программное обеспечение для моделирования движения пустотелых деталей в скользящем слое и определения параметров обработки.

6 Внедрить результаты исследований в производство и обосновать технико-экономическую эффективность отделочной обработки пустотелых деталей в контейнерах с планетарным вращением.

Методы исследований. Исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теоретической механики, теории абразивного износа и разрушения материалов, теории вероятностей и математической статистики, математического моделирования.

Достоверность и обоснованность научных результатов работы подтверждается сходимостью данных теоретических и экспериментальных исследований, корректным применением математического аппарата при моделировании движения загрузки и взаимодействия гранулированной абразивной среды с поверхностями тонкостенных полых деталей, использованием поверенных и аттестованных средств измерений, апробацией результатов работы в условиях промышленного производства.

На защиту выносятся.

1 Новый способ центробежной объемной обработки, обеспечивающий погружение пустотелых деталей в скользящий слой при каскадном режиме движения уплотненной загрузки.

2 Методика определения технологических параметров для интенсификации движения пустотелых деталей при отделочно-зачистной обработке.

3 Результаты теоретических исследований движения пустотелых деталей произвольной формы в скользящем слое рабочей загрузки при планетарном вращении контейнера.

4 Результаты экспериментальных исследований влияния технологических факторов на производительность отделочной обработки и качество поверхностей пустотелых деталей.

5 Методика и результаты моделирования процесса контактирования абразивных гранул с поверхностями деталей из труднообрабатываемых материалов для управления формированием показателей качества обработанных поверхностей.

6 Рекомендации по совершенствованию технологии отделочной обработки пустотелых деталей из труднообрабатываемых материалов в контейнерах с планетарным вращением.

Научная новизна.

1 Разработан способ центробежной объемной обработки пустотелых деталей, определены условия их погружения в скользящий слой шлифовального материала при движении рабочей загрузки, необходимые для эффективной обработки в различных гранулированных средах.

2 Разработаны модель каскадного движения загрузки и методика определения граничных условий интенсификации технологических режимов обработки пустотелых тонкостенных деталей для предотвращения недопустимых деформаций.

3 Получены экспериментальные модели съема металла и шероховатости поверхности от технологических параметров, позволяющие оптимизировать режимы объемной обработки пустотелых деталей из труднообрабатываемых материалов.

4 Разработана методика определения достижимой шероховатости поверхности пустотелых деталей из труднообрабатываемых материалов, учитывающая взаимосвязь технологических режимов обработки и физико-механических свойств поверхностного слоя.

Практическая ценность.

1 Разработана технологическая операция объемной отделочной обработки пустотелых деталей из труднообрабатываемых материалов в контейнерах с планетарным вращением, позволяющая обеспечить стабильность качественных характеристик поверхностей.

2 Разработаны методика и программное обеспечение, позволяющие оптимизировать технологические режимы для проектирования операции объемной обработки пустотелых деталей.

3 Предложены различные конструкции технологических тел для повышения объемной плотности пустотелых деталей и разработана методика определения их массы для различных составов гранулированных сред.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований внедрены в производство на ФГУП ФНЦП «ПО "Старт" им. М. В. Про-ценко». Повышение производительности отделочно-зачистных операций пустотелых деталей и обеспечение стабильного качества обрабатываемых поверхностей позволило сократить время обработки и получить годовой экономический эффект в размере 188 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на VIII Международной научно-технической конференции «Совре-менные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2011), I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (Пенза, 2012), Международной научно-практической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» (Рыбинск, 2012), VII Международной научно-практи-ческой конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2012), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета (Пенза, 20092012).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы
в 8 статьях (1 статья без соавторов), из них 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получены свидетельство о государственной регистрации программного обеспечения «Всплытие» и патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 115 наименований и включает 146 страниц текста, 56 рисунков, 8 таблиц, 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены цель и задачи исследования, научная новизна, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен аналитический обзор методов абразивной обработки деталей из труднообрабатываемых материалов, обобщен опыт применения моделирования для оценки контактного взаимодействия абразивных гранул с поверхностью заготовки, показаны характерные технологические особенности формообразования деталей из труднообрабатываемых материалов.

При объемной абразивной обработке деталей из таких материалов необходимо создавать высокие давления для контакта рабочих сред с поверхностями детали, которые наиболее просто достигаются инерционным уплотнением центробежными силами, при планетарном вращении контейнеров с рабочей загрузкой.

Предпочтительным для снижения шероховатости поверхности на маложестких тонкостенных деталях является каскадное движение рабочей загрузки. Поэтому важно осуществить моделирование движения загрузки и контактного взаимодействия гранул с обрабатываемыми поверхностями полых деталей для этого режима. Известные модели контактного взаимодействия выполнены только для водопадного движения рабочей загрузки, когда рабочие тела и детали переходят в фазу полета в объеме контейнера и позволяют оценить упрочнение поверхности и параметры шероховатости при использовании в качестве рабочих тел стальных шаров.

Существенный вклад в развитие технологии и теории абразивной обработки деталей гранулированными рабочими средами внесли отечественные ученые: П. И. Ящерицын, А. П. Бабичев, А. Н. Мартынов, М. А. Тамаркин, В. З. Зверовщиков, В. О. Трилисский и др.

Характерной особенностью обработки резанием легированных сталей и титановых сплавов является высокая степень упрочнения материала в процессе деформации. Исследованиями В. Н. Кащеева,
А. В. Королева, Д. Г. Евсеева, Л. В. Худобина установлено влияние физико-механических свойств материала на разрушение в процессе абразивного резания. Однако изменение прочностных характеристик тонких поверхностных слоев металла при воздействии микровыступов абразивных частиц и небольших нагрузках исследовано недостаточно, что затрудняет построение математических моделей для управления формированием качественных показателей обработанной поверхности.

Показана актуальность исследований по технологическому обеспечению центробежной обработки пустотелых тонкостенных деталей. На основании изложенного сформулированы цель и задачи, решение которых обеспечит их достижение.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований, определены условия, при которых обеспечивается качество поверхности пустотелых деталей из труднообрабатываемых материалов при центробежной обработке, разработаны методики определения эффективных технологических параметров.

Характерными примерами пустотелых деталей являются тонкостенные корпуса датчиков и головки игровых клюшек, изготовленные из высокопрочных легированных сталей или титановых сплавов
ВТ1-0, ВТ1Л (рисунок 1).

Рисунок 1 – Пустотелые корпуса датчиков (а, б); головка клюшки (в)

Разработан способ объемной обработки деталей гранулированными средами, при котором обрабатываемые детали 1 (рисунок 2,а) загружают в цилиндрический контейнер 2 с гранулированным шлифовальным материалом 3, заливают технологическую жидкость и герметично закрывают контейнер. Контейнеру сообщают планетарное движение с угловыми скоростями 1 вокруг оси 4 водила и 2 вокруг собственной оси 5. При этом водило, несущее контейнер, имеет возможность переносного вращения вокруг оси 6, перпендикулярной оси водила, что позволяет автоматизировать загрузку гранулированной среды и сепарацию деталей после обработки. При сложном вращении контейнера происходит уплотнение рабочей загрузки с образованием сегмента в поперечном сечении контейнера и происходит пересыпание уплотненной массы, а на ее поверхности формируется движущийся
с высокой скоростью скользящий слой 7, состоящий из абразивных гранул и обрабатываемых деталей. В этом слое происходит интенсивная обработка деталей абразивными гранулами вследствие их проскальзывания относительно друг друга. Это проскальзывание обусловлено различием плотностей деталей и гранул.

Рисунок 2 – Схемы обработки (а) и установки технологического тела
в полости детали (б)

Пустотелые детали при любых видах объемной обработки, включая центробежную в контейнере с планетарным вращением, всплывают на поверхность загрузки и практически не обрабатываются.

Для стабильной обработки необходимо увеличить насыпную плотность пустотелых деталей, чтобы обеспечить их погружение в скользящий слой. Для увеличения насыпной плотности предлагается в полость детали вводить технологическое тело, массу mт которого определяют из условия

, (1)

где а – объемная плотность абразивного шлифовального материала; Vм – объем материала детали; Vп – объем внутренней полости детали; mд – масса обрабатываемой детали.

Схема установки технологического тела 2 во внутреннюю полость детали 1 показана на рисунке 2,б.

Результирующую силу, действующую на деталь массой mд,
в скользящем слое найдем по выражению (рисунок 3)

                            ,     (2)

где сила сопротивления среды; сила тяжести; сила инерции от вращения водила с угловой скоростью 1; кориолисова сила инерции; выталкивающая сила, действующая на деталь;
равнодействующая сила воздействия абразивных гранул на поверхность детали.