Підвищення ефективності технології фінішної обробки деталей пар тертя поршневих насосів - Автореферат

Тому до шорсткості, точності і параметрів якості оброблюваних поверхонь (плоских, циліндричних і сферичних) відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів висуваються високі вимоги, виконання яких викликає значні складності. Тому з метою підвищення ефективності шліфування, вибір оптимальних умов бездефектної обробки необхідно виконувати на основі забезпечення максимально можливої продуктивності, обумовленої температурним фактором і встановлюваної з урахуванням балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь. У звязку із цим у роботі вирішується актуальне і важливе народногосподарське завдання створення і впровадження ефективної технології фінішної механічної обробки відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів за рахунок вибору оптимальних умов високоякісної обробки на основі урахування теплового балансу при шліфуванні. Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені наступні задачі: - розробити нову математичну модель визначення температури при шліфуванні, засновану на урахуванні балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь; Вперше розроблено математичну модель визначення температури при шліфуванні, яка заснована на урахуванні балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь, що дозволило виявити, обґрунтувати і реалізувати нові технологічні можливості зменшення температури при шліфуванні і підвищення якості обробки деталей пар тертя поршневих насосів.На основі аналізу існуючих теоретичних рішень про технологічні можливості операцій шліфування показано, що виконання вимог по бездефектній обробці вимагає більш істотного зменшення продуктивності шліфування, чим при виконанні вимог по шорсткості і точності оброблюваних поверхонь. Показано, що для рішення даної задачі важливо розробити нову математичну модель визначення температури при шліфуванні, засновану на урахуванні теплового балансу, оскільки у відомих теоретичних рішеннях розглядаються закономірності поширення тепла лише в оброблювану деталь, а тепло, що йде в стружки, пропонується враховувати за допомогою поправочного коефіцієнта, що носить емпіричний характер. Тому, для більш глибокого дослідження теплових процесів при шліфуванні і визначення умов підвищення ефективності обробки необхідно мати у своєму розпорядженні функціональні звязки між температурою шліфування і кількістю тепла, що йде відповідно в стружки і оброблювану деталь. Виходячи із цього, рівняння балансу тепла представлено у вигляді диференціального рівняння щодо температури при шліфуванні : , (1) де ; ; - потужність теплового джерела, Вт; - коефіцієнт теплопровідності оброблюваного матеріалу, Вт/м•К; - питома теплоємність оброблюваного матеріалу, Дж/(кг•К); - щільність оброблюваного матеріалу, кг/м3; - площа поперечного переріза стержня, м2. Використовуючи отримане рішення, визначені основні параметри теплового процесу при шліфуванні: довжина стержня , рівна товщині поверхневого шару оброблюваної деталі, у якому концентрується тепло; миттєва швидкість поширення тепла вглиб розглянутого адіабатичного стержня; частки тепла і , що йдуть відповідно в стружки, що утворюються, і оброблювану деталь: ; ; , (4)Розроблено нову математичну модель визначення температури при шліфуванні на основі урахування балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь, і встановлено принципово нову закономірність зміни температури від параметрів обробки. Її суть полягає в тому, що зі збільшенням часу контакту шліфувального круга з фіксованим перерізом оброблюваної деталі температура збільшується приблизно за експонентним законом, асимптотично наближаючись до значення, рівного відношенню умовної напруги різання до питомої теплоємності і щільності оброблюваного матеріалу, і з фізичної точки зору визначаючого сталий тепловий процес. Теоретично встановлено, що характер зміни температури при шліфуванні відповідає характеру зміни частки тепла, що йде в стружки, і протилежний характеру зміни частки тепла, що йде в оброблювану деталь. Зроблено кількісну оцінку балансу тепла і температури при шліфуванні на основі розробленої математичної моделі й установлено, що при звичайному багатопрохідному шліфуванні частка тепла, що йде в стружки, значно менше частки тепла, що йде в оброблювану деталь. Визначено основні умови зменшення температури і підвищення якості обробки, які полягають в зменшенні частки тепла, що йде в стружки, і збільшенні частки тепла, що йде в оброблювану деталь, за рахунок зменшення глибини шліфування і швидкості переміщення теплового джерела вглиб поверхневого шару оброблюваної деталі.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертаційній роботі на основі отриманих нових науково об ґрунтованих результатів вирішена важлива і актуальна науково-практична задача створення ефективної технології фінішної механічної обробки відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів за рахунок вибору оптимальних умов високоякісної обробки на основі урахування теплового балансу при шліфуванні.

1. Розроблено нову математичну модель визначення температури при шліфуванні на основі урахування балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь, і встановлено принципово нову закономірність зміни температури від параметрів обробки. Її суть полягає в тому, що зі збільшенням часу контакту шліфувального круга з фіксованим перерізом оброблюваної деталі температура збільшується приблизно за експонентним законом, асимптотично наближаючись до значення, рівного відношенню умовної напруги різання до питомої теплоємності і щільності оброблюваного матеріалу, і з фізичної точки зору визначаючого сталий тепловий процес. Це вказує на те, що формування температури та інших параметрів теплового процесу при шліфуванні підкоряється більш складним фізичним закономірностям і вимагає застосування уточнених розрахункових схем, що враховують тепловий баланс.

2. Теоретично встановлено, що характер зміни температури при шліфуванні відповідає характеру зміни частки тепла, що йде в стружки, і протилежний характеру зміни частки тепла, що йде в оброблювану деталь. Це добре погодиться з відомими експериментальними даними про взаємозвязок температури з розподілом тепла при механічній обробці і свідчить про вірогідність розробленої математичної моделі.

3. Зроблено кількісну оцінку балансу тепла і температури при шліфуванні на основі розробленої математичної моделі й установлено, що при звичайному багатопрохідному шліфуванні частка тепла, що йде в стружки, значно менше частки тепла, що йде в оброблювану деталь. Відповідно температура приймає відносно невеликі значення. При глибинному шліфуванні, навпаки, практично все тепло йде в стружки, а температура приймає максимально можливе значення, що дозволяє реалізувати сталий тепловий процес.

4. Визначено основні умови зменшення температури і підвищення якості обробки, які полягають в зменшенні частки тепла, що йде в стружки, і збільшенні частки тепла, що йде в оброблювану деталь, за рахунок зменшення глибини шліфування і швидкості переміщення теплового джерела вглиб поверхневого шару оброблюваної деталі.

5. Обґрунтовано можливість істотного збільшення продуктивності обробки без збільшення температури і погіршення якості оброблюваної поверхні за рахунок реалізації сталого теплового процесу в умовах лезової обробки (точіння) і глибинного шліфування. Доведено, що при точінні, яке характеризується більш низькою силовою напруженістю різання в порівнянні зі шліфуванням, можна реалізувати сталий тепловий процес із більшою продуктивністю обробки і меншою температурою поверхневого шару оброблюваної деталі. Це свідчить про значні технологічні можливості фінішної лезової обробки.

6. Теоретично і експериментально обґрунтована умова зменшення товщини дефектного шару оброблюваної деталі, яка полягає в зменшенні із часом обробки фактичної глибини шліфування за законом нескінченно убутної геометричної прогресії, що, як доведено, реалізується при шліфуванні за схемою виходжування з оптимальною швидкістю деталі і забезпечує рівність товщини дефектного шару і величини пружного переміщення, що виникає в технологічній системі і визначає похибку розміру обробки.

7. Експериментально встановлено значний вплив температурного фактору при плоскому шліфуванні на зменшення твердості поверхні і збільшення товщини дефектного шару обробленої деталі із загартованої сталі ШХ15. Виходячи із цього, розроблений оптимальний за структурою технологічний процес плоского шліфування (який включає переходи попереднього і остаточного шліфування і виходжування), що забезпечує твердість поверхні, близьку до вихідного значення (до обробки), і високі показники точності оброблюваних поверхонь. Необхідні значення відхилення від площинності 0,005 мм і відхилення від паралельності 0,01 мм забезпечуються на операції плоского шліфування, а необхідна шорсткість поверхні =0,16 мкм - на наступній операції доведення абразивними пастами М16 - М20.

8. Розроблено інженерну методику розрахунку оптимальних параметрів режиму шліфування з урахуванням обмежень по температурі шліфування і товщині поверхневого шару обробленої деталі, у якому концентрується тепло, що утворюється при шліфуванні. На її основі розроблена технологія безцентрового шліфування циліндричної частини поршня із загартованої сталі ШХ15 у три переходи, що дозволило підвищити якість обробки і експлуатаційні властивості пари тертя “поршень - циліндр (втулка корпуса)”. Технологія забезпечує шорсткість поверхні =0,32 мкм і відхилення від циліндричності 0,005 мм. Наступним доведенням вільним абразивом досягається необхідна шорсткість =0,16 мкм.

9. Експериментально встановлено, що перехід від шліфування, здійснюваного на профілешліфувальному верстаті мод. Л3190, до тонкого точіння, здійснюваного на сферотокарному верстаті мод. 16М25, сферичної поверхоні поршня із загартованої сталі ШХ15 дозволяє забезпечити твердість обробленої поверхні, близьку до вихідного значення, у широких межах зміни режимів різання. Це свідчить про зниження інтенсивності теплової напруженості обробки при точінні в порівнянні зі шліфуванням і підтверджує отримані в роботі в даному напрямку теоретичні рішення.

10. Розроблені ефективні технологічні процеси фінішної механічної обробки (шліфування, тонкого точіння і доведення) плоских, циліндричних і сферичних поверхонь відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів впроваджені в основне виробництво ВАТ “Харківський завод Гідропривід”. Вони дозволяють підвищити продуктивність і якість обробки (за рахунок зниження температурного впливу на оброблювану деталь) і відповідно збільшити у два рази ресурс роботи виготовлених поршневих насосів. Економічний ефект від впровадження технологічних процесів склав більш як 100 тис. гривень на рік.

1. Яценко С.М. Условия снижения температуры поверхностного слоя детали при механической обработке // Високі технології в машинобудуванні: Збірник наукових праць Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. ? Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. ? Вип. 2 (11). ? С. 471475.

2. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Расчет теплового баланса и температуры резания при шлифовании // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства. - Харків: ХНТУСГ, 2005. - Вип. 33. - С. 125129.

3. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Обоснование структуры и параметров технологического процесса механической обработки с учетом температурного фактора // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. ? № 28. - С. 117125.

4. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Формирование температуры поверхностного слоя обрабатываемой детали при резании и шлифовании // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. ? № 29. - С. 115122.

5. Новиков Г.В., Ковальчук А.Н., Яценко С.М. Исследование структуры и параметров рабочей поверхности алмазноабразивных инструментов // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2005. - № 12. - С. 110118.

6. Яценко С.М. Расчет и количественная оценка параметров теплового процесса при шлифовании // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. - Харків: ХНТУС, 2006. - Вип. 42. - С. 215223.

7. Яценко С.М. Теоретические исследования температуры поверхностного слоя детали при ее механической обработке // В кн.: Физикоматематическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения. В десяти томах. - Т.10. “Концепция развития технологии машиностроения”. - Одесса: ОНПУ, 2005. - С. 124159.

8. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Новый упрощенный подход к расчету температуры поверхностного слоя детали при ее механической обработке // Труды 11й Международной научнотехнической конференции. Физические и компьютерные технологии. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2005. - С. 137146.

9. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Расчет температуры шлифования с учетом движения теплового источника вглубь поверхностного слоя обрабатываемой детали // Труды 12й Международной научнотехнической конференции. Физические и компьютерные технологии. - Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2006. - С. 105111.