Введение к работе
Актуальность проблемы. Производительность шлифования можно существенно повысить прежде всего путем совершенствования абразивного инструмента, работоспособность которого зависит от его конструкции, характеристики, технологии изготовления, а также путем рационального применения смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), обеспечивающих эффективное смазочное, диспергирующее, моющее, охлаждающее и демпфирующее действия, способствующие существенному повышению стойкости абразивного инструмента и производительности шлифования и улучшению качества шлифованных поверхностей деталей. При этом все большую актуальность для современного машиностроения приобретает решение проблемы разработки и применения ресурсосберегающих экологизированных технологий и средств применения СОТС при механической обработке вообще и при шлифовании в особенности, обеспечивающих повышение технико - экономической эффективности производства и его экологической чистоты. Перспективным направлением решения этой проблемы является разработка и реализация технологий, в которых смазочное и диспергирующее действия СОТС обеспечиваются твердым смазочным материалом (ТСМ), размещенным в конструктивных элементах (пазах, прорезях или каналах) композиционного шлифовального круга (КТТТК), а моющее и охлаждающее действия - за счет применения простейших практически безвредных составов водных смазочно -охлаждающих жидкостей (СОЖ). К настоящему времени рассмотрены, отдельные вопросы применения КТТТК, однако отсутствие системного подхода, охватывающего весь комплекс вопросов проектирования, изготовления и совместного применения КТТТК и водной СОЖ, сдерживает решение рассматриваемой проблемы.
Цель работы: повышение производительности бездефектного шлифования на основе разработки научного и технологического обеспечения проектирования, изготовления и применения композиционных шлифовальных кругов.
Задачи работы: 1. Разработка научного обеспечения проектирования и применения КШК, включающего:
а) математические модели, результаты численных расчетов и эксперимен
тальных исследований теплонапряженности процесса шлифования компози
ционными кругами и шероховатости поверхностей шлифованных деталей;
б) математические модели, результаты численных расчетов и эксперимен
тальных исследований прочности и неуравновешенности композиционных
шлифовальных кругов с радиальными пазами, прорезями или осевыми кана
лами, заполненными ТСМ;
в) методики, алгоритмы и программы численного расчета теплового состоя
ния системы контактарующих объектов при круглом наружном шлифовании,
прочности и неуравновешенности КТТТК;
г) методику определения расхода ТСМ через зону шлифования КШК.
2. Разработка технологического обеспечения применения КШК, включающего:
а) методики и р е к о по проектированию и применению К , работающих периферией и торцом круга;
РОС. ІПШіОМАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
СПетерСург -_U ОЭ 20^^дкт ЬА,\\
б) технологии промышленного изготовления КШК и соответствующие сред
ства технологического оснащения;
в) результаты экспериментальных исследований работоспособности КШК
при круглом наружном, внутреннем и плоском шлифовании заготовок из раз
личных материалов и заточке режущего инструмента.
Проектирование КШК различных конструкций и типоразмеров и освоение их серийного производства.
Разработка методики, проведение опытно - промышленных испытаний и внедрение в производство КШК на операциях круглого наружного, внутреннего, плоского и торцового шлифования заготовок из различных материалов и заточки режущего инструмента.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием положений технологии машиностроения, теории резания и шлифования, принципов системного подхода, механики деформируемого твердого тела, теории упругости, теории подобия и моделирования с широким использованием численно - аналитических методов, теории вероятностей и математической статистики, интегрального и дифференциального исчислений.
Экспериментальные исследования проведены на натурных образцах по стандартным и разработанным автором методикам в лабораторных и производственных условиях на современном оборудовании с использованием аттестованных измерительных средств и применением методов регрессионного и дисперсионного анализа, а также путем физического и математического моделирования на ЭВМ.
Научная новизна, В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения их результатов в промышленность решена актуальная научно - техническая проблема, заключающаяся в разработке научного и технологического обеспечения проектирования, изготовления и применения композиционных кругов с целью повышения производительности бездефектного шлифования и экологической безопасности шлифовальных операций.
Научной новизной обладают следующие положения:
1. Математические модели теплового обмена в смазочных элементах композиционного круга и теплового взаимодействия композиционного круга и заготовки при шлифовании, позволяющие установить зависимости распределения температур в композиционном круге, смазочных элементах и заготовке от числа и размеров конструктивных элементов для размещения твердого смазочного материала и его теплофизических свойств.
2. Модели шероховатости шлифованной поверхности и параметрической устойчивости процесса шлифования композиционными кругами, учитывающие наличие вырезов на рабочей поверхности композиционного круга и особенности взаимодействия его режущих выступов и смазочных элементов с обрабатываемой поверхностью заготовки.
3. Модели прочности и неуравновешенности композиционных кругов с радиальными пазами, прорезями или осевыми каналами, учитывающие влияние числа и размеров конструктивных элементов для размещения твердого смазочного материала и его плотности.
Методы и программное обеспечение оценки расхода ТСМ через зону шлифования, численного расчета теплового состояния системы контактирующих объектов при круглом наружном шлифовании КШК, прочности и неуравновешенности КШК, результаты численных решений и экспериментальных исследований теплового состояния КШК и заготовки, прочности и неуравновешенности КШК.
Способы абразивной обработки, конструкции и технологии изготовления композиционных шлифовальных кругов, защищенные патентами на изобретения и свидетельствами на полезные модели.
Методология поэтапного применения смазочно - охлаждающих жидкостей на водной основе и композиционных кругов, обеспечивающего повышение производительности бездефектного шлифования и экологической безопасности шлифовальных операций.
Практическая ценность и реализация работы. 1. Разработаны методики расчета теплонапряженности круглого наружного шлифования и неуравновешенности КШК с радиальными пазами.
2. Спроектирована гамма конструкций КШК прямого профиля с радиальны
ми пазами и прорезями и осевыми каналами, работающих периферией круга, пря
мого профиля с запрессованными крепежными элементами, работающих торцом
круга, чашечных и тарельчатых КШК с радиальными прорезями и пресс - форм
для их изготовления.
3. Разработаны технологии промышленного изготовления КШК прямого
профиля с радиальными пазами и чашечных конических КШК с радиальными
прорезями. В ОАО " Димитровградхиммаш" и ОАО " Ульяновский автомобиль
ный завод" освоено серийное производство КШК различных характеристик с ме
ханическими свойствами , обеспечивающими их безопасную эксплуатацию с ра
бочей скоростью до 40 м/с. Круги соответствуют 2-3 классам неуравновешенно
сти по ГОСТ 3060 - 86 и классам А и Б точности линейных размеров, формы и
расположения поверхностей по ГОСТ 2424 - 83.
Предложены рекомендации по проектированию, изготовлешпо и применению КШК, выбору характеристики их абразивной части, числа и размеров конструктивных элементов для размещения ТСМ, составов ТСМ и водной СОЖ.
Внедрение и опытно - промышленные испытания КШК в условиях действующего производства мапшюстроительных предприятий ОАО " Ульяновский автомобильный завод", ОАО " Авиастар", ОАО " Автодетальсервис", ООО " Сервис - Газ", ООО'" Опыт", ФГУП " ПО УМЗ" (г. Ульяновск), ОАО " Димитровградхиммаш", ООО " Димитровградский инструментальный завод", ОАО" Вол-гобурмаш" (г. Самара) подтвердили результаты теоретико - экспериментальных исследований и свидетельствуют о повышении производительности шлифования на ( 30 - 60) % по сравнению с применением СК при обеспечении требований к качеству деталей.
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Математические модели, методики, алгоритмы, программы и результаты численного расчета и экспериментального исследования теплового взаимодействия КШК и заготовки при круглом наружном шлифовании и шероховатости обработанной поверхности при плоском шлифовании периферией КШК.
Методы, методики и результаты численных решений и экспериментальных исследований расхода ТСМ в зоне шлифования КШК, прочности и неуравновешенности КШК с радиальными пазами, прорезями и осевыми каналами.
Результаты экспериментальных исследований работоспособности КШК на операциях круглого наружного, внутреннего, плоского шлифования заготовок деталей и заточки режущего инструмента.
Конструкции КШК с радиальными пазами, прорезями и осевыми каналами и пресс-форм для их изготовления и технологии промышленного изготовления КШК.
Методики и результаты опытно-промышленных испытаний и внедрения КШК на операциях круглого наружного, внутреннего и плоского шлифования заготовок деталей и заточки режущего инструмента.
Рекомендации по проектированию, изготовлению и применению композиционных кругов, по выбору твердых смазочных материалов и смазочно -охлаждающих жидкостей.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно - технических конференциях " Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы" (Волжский, 1997,
2000, 2001, 2002, 2003); " Состояние и перспективы развития электротехнологии ( Бенардосовские чтения)" (Иваново, 1999,2003); " Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения" (Орел, 2000, 2001, 2002); " Проблемы теории и практики технологии машиностроения, механической и физико - технической обработки" (Харьков, 2000); " Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве" (Харьков, 2001,2002,2003); " Проблемы машиностроения и технологии металлов на рубеже веков" (Пенза, 2003);международных научно — технических семинарах " Высокие технологии: современные тенденции развития"(Алушта, 1998, 1999, 2002, 2003), "Высокие технологии: развитие и кадровое обеспечение" (Алушта, 2000, 2001); всероссийских НТК " Повышение эффективности механообработки на основе аналитического и экспериментального моделирования процессов" (Рыбинск,
2000); конференции - выставке " Производственные технологии - 2001" (Москва, 2002); НТК профессорско - преподавательского состава УлГТУ (Ульяновск, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000,2001,2002,2003,2004); на выездном заседании Головного совета "Машиностроение" МО РФ (Ульяновск, 2003), на расширенных заседаниях кафедр " Технология машиностроения" УлГТУ (Ульяновск, 2003); " Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в приборо - и машиностроении" СГТУ (Саратов, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 96 работ, включая 28 патентов на изобретения и 4 свидетельства на полезные модели.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (311 наименований) и шести приложений. Работа содержит 288 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 50 рисунков.
