Введение к работе
Актуальность темы. Повышение качества и эксплуатационных свойств деталей машин эффективно обеспечивается технологией поверхностного пластического деформирования (ППД), в частности обработкой выглаживанием и, как вариант ее дальнейшего развития, - комбинированной технологией ультразвукового выглаживания (УЗВ) с наложением на инструмент энергии ультразвуковых колебаний (УЗК). Несмотря на очевидные преимущества такой технологии ее высокий потенциал используется до сих пор далеко не полностью.
Современное машиностроительное производство с его высокой степенью автоматизации технологических процессов и применением станков с числовым программным управлением (ЧПУ) обуславливает необходимость адекватного развития технологии УЗВ путем обеспечения ее автоматизированными средствами технологического оснащения. Однако решение этой проблемы сдерживается недостаточной изученностью физических процессов, протекающих в деформируемых микрообъемах поверхностного слоя (ПС) материала заготовки, и, как следствие, отсутствием научно-обоснованных рекомендаций для применения УЗВ в условиях автоматизированного производства. Решению указанной актуальной проблемы и посвящается настоящая работа.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы, мероприятие 1.2.2 «Проведение научных исследований группами под руководством кандидатов наук» по направлению «Создание и обработка кристаллических материалов» (госконтракт П 990, 2009 г.) и по направлению «Станкостроение» (госконтракт П 2480, 2009 г.).
Цель работы. Повышение эффективности ультразвукового выглаживания на станках с ЧПУ путем управления дислокационно-энергетическим состоянием ПС.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Разработан комплекс математических моделей, устанавливающих взаимосвязь технологических параметров и условий обработки с дислокационно-энергетическим состоянием ПС и показателями эффективности процесса УЗВ.
Экспериментально исследовано влияние дополнительной ультразвуковой энергии на изменение дислокационного состояния ПС при УЗВ во взаимосвязи с технологическими параметрами, условиями обработки и показателями ее эффективности.
Разработаны новые технические решения в виде автоматизированных технологических модулей (ATM) для реализации технологии УЗВ на станках токарной группы с ЧПУ.
Разработана автоматизированная система управления процессом обработки и программное обеспечение для реализации технологии УЗВ на токарных станках с ЧПУ на основе аналитических и эмпирических математических моделей.
Выполнена опытно-промышленная проверка эффективности технологии УЗВ на станках с ЧПУ в производственных условиях.
Автор защищает: 1. Комплекс математических моделей, устанавливающих взаимосвязь технологических параметров и условий обработки с дислокационно-энергетическим состоянием ПС и показателями эффективности процесса обработки на основе единого технологического критерия УЗВ.
2. Полученный аналитическим путем технологический критерий УЗВ,
включающий в себя совокупность технологических параметров и условий обра
ботки.
Результаты экспериментального исследования, устанавливающие связь дислокационного состояния ПС с показателями эффективности процесса обработки на основе единого технологического критерия УЗВ
Новые технические решения по оснащению и автоматизированному управлению процессом ультразвукового выглаживания на станках с ЧПУ с помощью ATM и автоматизированную систему управления с базой данных аналитических и эмпирических математических моделей и единого технологического критерия УЗВ.
Результаты опытно-промышленной проверки эффективности технологии УЗВ на станках с ЧПУ в производственных условиях.
Методы исследования. Теоретические исследования проводили на базе научных основ технологии машиностроения, физики твердого тела, теории дислокаций, теории пластичности, теории математического моделирования.
Экспериментальные исследования проведены на современном металлорежущем оборудовании с ЧПУ с применением компьютерной техники. Применяли металлографические и инструментальные микроскопы «ЛабоМет-2», (KARL ZEISS) мод. Axiovert 40МАТ, 5 МИС и БИМ, электронный сканирующий микроскоп LEO 1045 (KARL ZEISS); микротвердомер ПМТ-3; профилограф-профило-метр «АБРИС-ПМ7».
Научная новизна.
1. Разработан комплекс математических моделей, устанавливающих количественную связь технологических параметров и условий обработки УЗВ с плотностью дислокаций, микротвердостью, величиной накопленной пластиче-
ской деформации и плотностью скрытой энергии пластической деформации, а также с показателями эффективности процесса обработки на основе единого технологического критерия УЗВ.
Аналитически установлен «порог насыщения» плотности дислокаций в деформируемом микрообъеме в зависимости от технологических параметров и условий УЗВ.
Получены эмпирические математические модели, устанавливающие связь технологических параметров и условий обработки с показателями ее эффективности на основе единого технологического критерия УЗВ.
Разработана автоматизированная система управления процессом обработки и программное обеспечение для реализации технологии УЗВ на токарных станках с ЧПУ на основе аналитических и эмпирических математических моделей и единого технологического критерия.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработана технология ультразвукового выглаживания с возможностью ее применения на токарных станках с ЧПУ.
Разработаны средства технологического оснащения в виде автоматизированных технологических модулей, позволяющих обеспечить процесс ультразвукового выглаживания в автоматическом режиме, как на базе универсальных токарных станков, так и станков с ЧПУ.
Разработан алгоритм и программное обеспечение для токарных станков с ЧПУ для реализации технологии выглаживания в автоматическом режиме.
Разработанные технология и технологическое оснащение для ультразвукового выглаживания внедрены в производство и учебный процесс.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Всероссийской научно-технической конференции (НТК) с международным участием «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» в 2004 г., г. Тольятти; на Международной НТК молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва в 2004 и в 2005 гг.; на Всероссийской с международным участием НТК «Теплофизические и технологические аспекты управления качеством в машиностроении», г. Тольятти в 2005 г.; на VI НТК молодых специалистов «Развитие через инновации в ОАО «АВТОВАЗ», г. Тольятти в 2005 г.; на Всероссийской НТК «Проведение научных исследований с элементами научной школы для молодежи» в 2009 г., г. Тольятти, на Международной молодежной школе -семинаре «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении» в 2011 г., г. Ульяновск.
Разработанные с участием автора технология УЗВ и ATM неоднократно награждались медалями и дипломами на международных выставках. Так, в 2010 г. ATM занял первое место в номинации «Технология обработки материалов» на втором международном форуме по интеллектуальной собственности «EXPOPRIORITY», в рамках международной программы «Golden Galaxi», технология отмечена золотой медалью «Innovation for investments to the future» Американо-Российского делового союза (Нью-Йорк). Автор награжден медалью Всероссийского выставочного центра (2009 г.)
По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 5 в изданиях из перечня ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, приложений и содержит 174 страницы машинописного текста, 85 рисунков и 10 таблиц.
