Введение к работе
Актуальность темы. При проектировании, изготовлении и эксплуатации станков все чаще возникает необходимость решения задач, связанных с динамикой процессов механической обработки. В первую очередь это относится к обеспечению условий устойчивого движения инструмента и заготовки, т. е. к уменьшению вибраций и отсутствию «подрывания», «заклинивания» или скачкообразного перемещения узлов станка, что необходимо для получения деталей с минимальными погрешностями размеров, формы и качества их поверхностей. В частности, повышение динамической устойчивости суппортной группы токарного станка позволяет повысить его технологическую надежность, и тем самым обеспечить возможность повышения производительности или улучшить качество изделий.
Одной из важнейших задач в решении проблемы повышения устойчивости перемещения подвижных узлов трения токарного станка является получение упрочненной поверхности направляющих станины с направленным регулярным рельефом (РР).
Большими возможностями улучшения эксплуатационных свойств деталей машин обладает электромеханическая обработка (ЭМО), основанная на механическом воздействии инструмента на заготовку, сопровождающемся локальным нагревом металла электрическим током, в результате которой происходит упрочнение поверхности обрабатываемой заготовки. Однако, эффективность применения ЭМО для получения направленного РР поверхностей направляющих металлорежущих станков с получением карманов для удержания смазки и влияние их на динамику станка до сих пор не рассматривалась.
В связи с вышесказанным, задача разработки способов получения с помощью ЭМО направленного РР на поверхности трения представляется весьма актуальной, поскольку позволит существенно повысить качество деталей, обработанных на металлорежущих станках.
Цель исследований. Повышение динамической устойчивости и эффективности функционирования токарных станков на основе применения разработанных технологических методов и средств создания на направляющих станины РР с карманами для удержания смазки.
Методы исследования. Теоретические исследования выполняли с использованием основных законов и методов классической механики, математики и средств вычислительной техники. Образцы в различных комбинациях пар трения испытывали в лабораторных условиях в соответствии с действующими стандартами и разработанными частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием программ ANSYS, Statistica 6.0, Mathcad 14. Проведено упрочнение направляющих станины металлорежущего станка мод. УТ-16 ПМ.
Научная новизна.
- Разработана комплексная многофункциональная математическая модель перемещения суппортной группы станка по упрочненным с образованием РР поверхности и карманов для удержания смазки направляющим, используемая для определения и повышения виброустойчивости технологической системы токарного станка;
- разработан и запатентован способ образования РР упрочненной поверхности трения, включающий применение нового технологического оснащения для нанесения РР, позволяющего повысить устойчивость при резании и точность перемещения суппортной группы по направляющим при смешанном трении;
- получены математические модели твердости и глубины упрочненного слоя, шероховатости его поверхности в зависимости от силы тока и скорости перемещения инструмента, предназначенные для определения эффективного режима упрочнения и образования РР поверхности направляющих металлорежущих станков;
- получены регрессионные математические модели коэффициентов трения для различных пар трения в широком диапазоне нагрузок, скоростей перемещения и режимов смазки.
Научная новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2383429 «Многоинструментальная головка для электромеханической обработки плоских поверхностей на станках» и № 2385212 «Способ упрочнения поверхности деталей».
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Реализация способа получения РР обеспечивает уменьшение коэффициента трения в суппортной группе токарных станков в 2 – 3 раза и может применяться при упрочнении поверхностей трения ответственных узлов во всех отраслях машиностроения, как при ремонте, так и при изготовлении новых изделий. Использование предлагаемого способа позволяет повысить эффективность процесса получения РР, а предложенные методики расчета, проектирования и рационализации параметров деталей – снизить материальные и энергетические затраты, повысить стабильность перемещения суппортной группы токарного станка и уменьшить шероховатость обрабатываемых поверхностей заготовок по параметру Ra в два раза.
Получено изображение рельефа различных участков поверхности образцов, подвергнутых ЭМО, при использовании сканирующего зондового микроскопа NanoEducator. Результаты сканирования подтверждают достоверность проведенных исследований и эффективность новой технологии.
Для упрочнения с получением направленного РР направляющих станков по новому способу спроектированы и изготовлены специальный инструмент и другая оснастка. Обеспечена возможность осуществления процесса упрочнения непосредственно на самом станке без разборки его основных узлов.
Новая технология электромеханического упрочнения поверхностей направляющих станин токарных станков с образованием направленного РР и карманов для удержания смазки внедрена в производство ОГОУ СПО «Ульяновский технический колледж» (г. Ульяновск) и ОАО «Криушинский судостроительно – судоремонтный завод» (р.п. Криуши Ульяновской области).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на всероссийских и международных научно-практических конференциях: «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновская ГСХА, 2007 г.), «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» (Ульяновская ГСХА, 2008 г.), «Актуальные вопросы аграрной науки и образования» (Ульяновская ГСХА, 2008 г.), «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (СпГПУ НПФ “Плазмацентр”, 2008, 2010, 2011 гг.), «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении» (УлГТУ, 2011).
Публикации и патенты. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в трех изданиях, указанных в «Перечне ВАК», получены 3 патента на изобретение. Общий объём опубликованных работ составляет 5,43 п.л., из них автору принадлежит 2,4 п.л.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения. Список литературы включает 145 наименований.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
1. Комплексная многофункциональная математическая модель перемещения суппортной группы станка по упрочненным с образованием РР поверхности и карманов для удержания смазки направляющим станины. Она включает в себя функциональные зависимости для определения коэффициента трения, аналитические зависимости для определения условной площади контакта упрочненной поверхности с РР в широком диапазоне нагрузок, скоростей перемещения и режимов смазки.
2. Способ образования РР упрочненной поверхности трения и его варианты, включая применение нового технологического оснащения для нанесения РР, позволяющий повысить устойчивость при резании и точность перемещения суппортной группы по направляющим при смешанном трении.
3. Регрессионные математические модели твердости, глубины и шероховатости упрочненного слоя в зависимости от режимов упрочнения – силы тока и скорости перемещения инструмента, позволяющие определять эффективный режим упрочнения и образования РР поверхности направляющих металлорежущих станков.
4. Динамические характеристики несущей системы токарного станка мод. УТ – 16 ПМ, полученные в работе на основе экспериментально-расчетных исследований, а также расчетные значения предельной глубины резания с измененными характеристиками НС станка.
