Введение к работе
Актуальность проблемы. Высокий уровень работоспособности сельскохозяйственной (с.-х.) техники и технологического оборудования перерабатывающих отраслей аграрно-промышленного комплекса (АПК) в значительной мере достигается обеспечением требуемых размеров и геометрических форм узлов с деталями класса валов при их производстве и восстановлении. Непрерывно возрастающие удельные нагруженности не только отдельных машин и механизмов, но и с.-х. техники в целом, эксплуатация в тяжелых условиях сельскохозяйственного производства приводят к изменению первоначальных размеров и геометрических форм.
Разработка теоретических положений и технологических рекомендаций, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик валов с.-х. техники при их изготовлении и восстановлении в условиях ремонтных предприятий АПК, представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение и требующую теоретического обобщения и решения.
Качество изготовления и восстановления деталей обеспечивается технологическими процессами упрочнения рабочих поверхностей, снижения их шероховатости путем сохранения первоначальных размеров и геометрических форм. При разработке и совершенствовании методов обработки деталей наблюдается тенденция применения методов комплексного воздействия процессов различной физической природы (механических, тепловых, магнитных). Эффект взаимодействия энергии магнитного поля с электронными полями атомов позволяет получить результаты, имеющие технологическое значение, использование которых при восстановлении и изготовлении деталей машин приведет к улучшению их эксплуатационных характеристик.
Актуальность выбранного научно-практического направления исследования подтверждается соответствием данной темы разделу Федеральной программы по научному обеспечению АПК РФ и тематическому плану Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг. Данное направление было одобрено
НТС при Межрегиональном комитете по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (протокол № 7 от 18.04.2007 г.).
Цель работы: повышение эффективности упрочнения поверхности деталей класса валов при изготовлении и ремонте с.-х. техники на основе одновременного воздействия поверхностной пластической деформации и технического перемагничивания ферромагнитного материала деталей.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Установить закономерности превращений, происходящих в поверхностном слое деталей при поверхностном пластическом деформировании в переменном магнитном поле (ППД в ПМП).
-
Разработать эффективный метод оптимизации глубины упрочненного слоя и провести его экспериментальную проверку.
-
Сопоставить качество упрочнения, полученного методом ППД в ПМП и существующими упрочняющими технологиями, путем сравнения параметров усталостной долговечности и износостойкости деталей.
-
Разработать технологическое оборудование для осуществления упрочнения деталей методом ППД в ПМП.
5. Спроектировать и изготовить систему автоматическо
го управления технологическим комплексом (САУ) для ППД в
ПМП, обеспечивающую параметрическую оптимизацию упроч
нения и активный контроль качества.
-
Провести апробацию ППД в ПМП в производственных условиях и оценить технико-экономическую эффективность выполненных разработок.
-
Выработать рекомендации по выбору элементной базы и алгоритма работы САУ, обеспечивающей гибкость технологии ППД в ПМП в различных технологических и организационных условиях ремонтного производства.
При поиске решений установленных проблем было выявлено, что многие задачи, возникающие в системном анализе и при исследовании операций по отысканию совокупности условий, обеспечивающих достижение экстремальных критериев эффективности, являются задачами оптимизационного типа, в том числе задачами поиска общих или частных экстремумов.
В этой связи принята научная гипотеза, которая положена в основу проведения теоретических и экспериментальных исследований технологических операций упрочнения деталей с.-х. машин методом ГШД в ПМП.
Гипотеза. При воздействии на деталь переменного магнитного поля в месте контакта рабочего инструмента (индентора) и детали при упрочнении ее поверхностным пластическим деформированием происходит такое изменение поверхностного слоя, в результате которого может быть достигнуто требуемое оптимальное структурно-напряженное состояние, заданные шероховатость и твердость поверхности при значительно меньших энергозатратах, чем это может быть получено другими методами упрочнения. При этом существует количественно-качественная взаимосвязь параметров структурно-напряженного состояния поверхности детали с параметрами нагру-жения (усилия и скорости деформирования) и характеристиками переменного магнитного поля (напряженностью и частотой).
Объект исследования - процессы упрочнения поверхностного слоя материала детали при ремонте с.-х. машин в результате ППД в ПМП.
Предмет исследования - закономерности образования взаимозависимых связей параметров технологического процесса упрочнения деталей методом ППД в ПМП с показателями глубины упрочненного слоя, твердости и шероховатости поверхности, а также производительности и себестоимости.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Исследование диффузионных процессов и фазовых превращений в упрочняемом слое детали осуществлялось путем их моделирования и идентификации. Расчет глубины упрочненного слоя и шероховатости поверхности проводился решениями прямых задач барродиффузии. Разработка программного обеспечения осуществлялась с помощью пакета прикладных программ «Statistica 6 RU» и «MathCAD». Для экспериментальных исследований использовалась современная аппаратура, стандартные и усовершенствованные методики измерения температуры, электросопротивления, магнитной проницаемости, микротвердости и структуры металлов. Химический анализ упрочненного слоя производился с помощью экспресс-анализа
на углерод, микротвердость измерялась на приборе ПМТ-ЗМ, микроструктурные исследования проводились с помощью микроскопа МИМ-8М. Исследование технологического процесса упрочнения ППД в ПМП осуществлялось с применением апробированных методов анализа задач и синтеза решений, применяемых для формирования структуры и параметров новых объектов, создаваемых на уровне изобретений и с использованием программного обеспечения для ЭВМ.
Научная новизна положений, выносимых на защиту:
1. Установлена закономерность образования связей, процес
сов, происходящих при ППД в ПМП и являющихся непрерывными
функциями с экстремальными значениями, которые обеспечивают
повышение эксплуатационных характеристик деталей.
2. Теоретически разработан и экспериментально про
верен переход упрочняемой поверхности детали в заданное
структурно-напряженное состояние посредством определения
моментов появления экстремумов функций зависимостей глу
бины модифицированного слоя от изменения удельного элек
тросопротивления магнитной проницаемости и температуры
упрочненного слоя.
-
Получены зависимости глубины упрочнения и шероховатости поверхностного слоя при обработке деталей ППД в ПМП от технологических факторов процесса: усилия и скорости деформационного воздействия, напряженности и частоты ПМП и числа проходов, а также механических свойств материала и геометрических параметров инструмента.
-
Найдены конструктивные решения технических средств и методов, позволяющие реализовать адаптивное управление процессом ППД в ПМП, и алгоритмов, обеспечивающих автоматизацию процесса упрочнения.
Основные положения, выносимые на защиту:
метод получения требуемых параметров упрочнения детали (твердости и шероховатости поверхности) с помощью параметрической оптимизации изменения физических свойств материала при упрочнении ППД в ПМП;
возможности применения метода нахождения экстремума непрерывных функций изменения электросопротивления и магнитной проницаемости поверхностного слоя материала детали
при 111 ІД в ПМП для оптимизации эксплуатационных характеристик упрочненной поверхности;
методика определения оптимального уровня упрочнения поверхности детали при условии неопределенности химического и фазового состава материала и ее технологической наследственности при ППД в ПМП;
технические решения технологического оборудования для упрочнения деталей методом ППД в ПМП;
методика по применению системы адаптивного управления процессами упрочнения деталей ППД в ПМП.
Практическая значимость заключается:
- в теоретическом обосновании и практическом подтвержде
нии метода улучшения эксплуатационных характеристик поверх
ностного слоя детали, основанного на комплексном применении
пластического деформирования и технического перемагничива-
ния ферромагнитного материала детали;
в разработке технических решений по созданию технологического оборудования для упрочнения деталей различных конструкторско-технологических групп (КТГ) методом ППД в ПМП, обладающих большей гибкостью в условиях ремонтных предприятий АПК и меньшей энергозатратностью;
в обеспечении схемно-аппаратурной реализации САУ для осуществления параметрической оптимизации технологии упрочнения и активного контроля качества;
в повышении технико-экономической эффективности и экологической приемлемости технологии упрочнения деталей с.-х. машин при их изготовлении и ремонте.
Реализация результатов исследования осуществлялась по следующим направлениям.
Результаты НИОКР и соответствующая конструкторско-технологическая документация использовались ОАО «Кур-ганавторемонт», предприятием «Ремсельхозтехника» (г. Шумиха), ОАО «Завод монтажных заготовок "Стальсельпром"», заводом «Ремстроймаш», ОАО «Курганмашзавод», ООО «Кузнечно-прессовый завод "Русич"» (г. Курган).
Разработаны технологии упрочнения деталей класса валов (в том числе и ресурсных) на ряде предприятий ремсельхозтех-ники и машиностроения.
Система активного контроля основных параметров технологии упрочнения ППД в ПМП, являющаяся основой научно-технических решений рассматриваемой проблемы, прошла метрологическую аттестацию в качестве элементов системы управления. По результатам многолетних теоретических и практических исследований разработаны рекомендации по упрочнению деталей методом ППД в ПМП различных КТГ (полые цилиндры, зубчатые колеса, плоскости и т. д.).
Рекомендации, одобренные НТС при межрегиональном комитете по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (протокол № 7 от 18.04.2007 г.), выпущены тиражом 2000 экземпляров и направлены в департаменты сельского хозяйства краев и областей РФ, в сельскохозяйственные и политехнические вузы, на предприятия транспортного и сельскохозяйственного машиностроения, на ремонтные предприятия.
Достоверность основных положений и научных выводов подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также использованием современного оборудования и методик проведения экспериментальных исследований и практическим использованием научно-технических разработок и рекомендаций в течение длительного времени на машиностроительных и ремонтных предприятиях (1992-2010 гг.).
Апробация работы. Результаты проведенных НИР и отдельные положения настоящей работы докладывались, были обсуждены и одобрены на международных научно-практических конференциях: «Экологизация технологий: проблемы и решения» (Москва-Курган, 2004 г.); «Управление качеством в современной организации» (Пенза, 2008 г.); «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановление и упрочнение деталей» (Москва, ГОСНИТИ, 2007-2008 гг.); «Достижения науки в реализации национального проекта развития АПК» (Курган, 2006 г.); «Достижения науки агропромышленному комплексу» (Челябинск, 2007,2008,2010 г.); «Сто лет сибирской маслодельной корпорации» (Курган, 2007 г.) и др.; на республиканских научно-технических конференциях «Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин» (Курган, 1991 г.); «Интенсификация и оптимизация малоотходных процессов обра-
ботки металлов давлением» (Курган, 1989 г.) и др., на заседаниях НТС, техсоветах и технических совещаниях предприятий, где проводились исследования и осуществлялось внедрение результатов (1991-1997 гг.).
Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на расширенном заседании кафедры «Детали машин» КГСХА, на объединенном заседании кафедр «Технология и организация технического сервиса», «Эксплуатация машинно-тракторного парка», «Уборочные машины», «Электрические машины и эксплуатация оборудования в сельском хозяйстве», «Информационные технологии и моделирование», «Технология машиностроения» ЧГАА.
Публикации. Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и их внедрения в производство нашли отражение в 73 публикациях, в числе которых 2 брошюры, 67 статей и опубликованных докладов, 3 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение.
Ряд работ использован в научных трудах д-ра техн. наук И. И. Манило, проф. В. П. Пономарева и др. ученых и специалистов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы (331 наименование, из них 7 на иностранных языках) и 23 приложений.
Работа содержит 302 страницы основного текста, 87 рисунков, 27 таблиц.
