ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Яценко Сергій Михайлович

УДК 621.923

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕХНОЛОГІЇ

ФІНІШНОЇ ОБРОБКИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТЕРТЯ ПОРШНЕВИХ НАСОСІВ

Спеціальність 05.02.08- технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса - 2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в ВАТ “Харківський завод Гідропривід” Міністерства промислової політики України (м. Харків).

Науковий керівник: доктор технічних наук Новіков Федір Васильович, Харківський національний економічний університет, професор кафедри “Техніка і технології” (м. Харків).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Марчук Віктор Іванович,

Луцький державний технічний університет, завідую-чий кафедрою “Приладобудування” (м. Луцьк);

кандидат технічних наук, доцент Наддачин Валерій Борисович, Одеський національний політехнічний університет, доцент кафедри “Технологія машинобудування” (м. Одеса).

Провідна установа: ДП Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства промислової політики України (м. Харків).

Захист відбудеться “ 26 ” січня 2007 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалі-зованої вченої ради Д 41.052.02 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного полі-технічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “26” грудня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Оборський Г.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для нагнітання робочої рідини (мінерального масла) у потужні гідрофіковані машини широко застосовуються аксіально- і радіаль-но-поршневі насоси, які за своїми техніко-економічними показниками переве-ршують шестерінні та інші типи насосів. Як встановлено практикою, їхня пра-цездатність багато в чому залежить від якості виготовлення пар тертя. Тому до шорсткості, точності і параметрів якості оброблюваних поверхонь (плоских, циліндричних і сферичних) відповідальних деталей пар тертя поршневих насо-сів висуваються високі вимоги, виконання яких викликає значні складності. Особливо це відноситься до операцій шліфування деталей із загартованих ста-лей у зв'язку з тим, що в зоні обробки виникають високі температури, які при-водять до появи припіків і мікротріщин на оброблюваних поверхнях, зниженню фізико-механічних властивостей поверхневого шару (головним чином мікро-твердості). Це, у свою чергу, негативно позначається на працездатності пар тер-тя і виготовлених насосів.

Традиційно, основним шляхом зменшення температури і забезпечення високоякісної обробки є зниження режимів шліфування. Однак, це не завжди ефективно, оскільки призводить до зменшення продуктивності обробки. Тому з метою підвищення ефективності шліфування, вибір оптимальних умов безде-фектної обробки необхідно виконувати на основі забезпечення максимально можливої продуктивності, обумовленої температурним фактором і встановлю-ної з урахуванням балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь. Це дозволить в максимальній мірі реалізувати потенційні можливості шліфування. Разом з тим, у даному напрямку фактично немає практичних рекомендацій, оскільки в науково-технічній літературі відсутні аналітичні рішення відносно визначення температури при шліфуванні, отримані на основі урахування тепло-вого балансу. Це вимагає проведення комплексу теоретичних і експеримента-льних досліджень теплових процесів при шліфуванні, що є, по суті, подальшим розвитком фундаментальних наукових праць по теплофізиці механічної оброб-ки. У зв'язку із цим у роботі вирішується актуальне і важливе народногосподар-ське завдання створення і впровадження ефективної технології фінішної меха-нічної обробки відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів за рахунок вибору оптимальних умов високоякісної обробки на основі урахування тепло-вого балансу при шліфуванні.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 516 від 18.04.2006 р. “Державна програма розвитку машинобудування на період 2006-2011 р.р.”: підпрограма “Розвиток верстатоінструментальної промисловості як основи технологічного забезпечення виробництва в умовах його структурної перебудови”, Постанови Кабінету Міністрів України № 42 р від 4.11.2002 р. “Про підтримку вітчизняного сільгоспмашинобудування” і тематичних планів робіт ВАТ “Харківський завод Гідропривід”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності технології фінішної механічної обробки відповідальних деталей пар тертя по-ршневих 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 шліфуван-ні, засновану на урахуванні балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану де-таль;–

аналітично описати основні параметри теплового процесу при шліфуванні з використанням розробленої математичної моделі;–

теоретично визначити основні умови зменшення температури при шліфуванні і розробити інженерну методику розрахунку оптимальних параметрів високо-якісної обробки з урахуванням обмеження по температурному фактору; –

провести експериментальні дослідження основних технологічних параметрів процесу шліфування і оцінити вірогідність отриманих теоретичних результатів;–

розробити і впровадити у виробництво ефективні технологічні процеси фіні-шної механічної обробки відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів.

Об'єкт дослідження ? операції фінішної механічної обробки плоских, циліндричних і сферичних поверхонь відповідальних деталей пар тертя Порш-невих насосів.

Предмет дослідження ? визначення оптимальних умов фінішної механі-чної обробки відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів, що виклю-чають утворення температурних дефектів на оброблюваних поверхнях при од-ночасному забезпеченні максимально можливої продуктивності та вимог по шорсткості і точності обробки.

Методи дослідження. Застосовувалися теоретичні методи, що базуються на фундаментальних положеннях технології машинобудування, теорії різання матеріалів, математичного аналізу і фізики; математичне моделювання; експе-риментальні методи із застосуванням профілометра мод. 170621, приладів для виміру твердості ПМТ-3, ТП-2 і ТК-2, мікроскопів ММР-4 і УИМ-21.

Наукова новизна отриманих результатів. 1. Вперше розроблено мате-матичну модель визначення температури при шліфуванні, яка заснована на урахуванні балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь, що дозво-лило виявити, обґрунтувати і реалізувати нові технологічні можливості змен-шення температури при шліфуванні і підвищення якості обробки деталей пар тертя поршневих насосів.

2. Одержано принципово нове теоретичне рішення про характер зміни температури при шліфуванні, яке полягає в тім, що із збільшенням часу контак-ту шліфувального кругу з фіксованим перерізом оброблюваної деталі темпера-тура збільшується приблизно за експонентним законом, асимптотично набли-жаючись до значення, рівного відношенню умовного напруження різання до питомої теплоємності і щільності оброблюваного матеріалу, і з фізичної точки зору визначаючого сталий тепловий процес.

3. Теоретично обгрунтувано можливість значного збільшення продуктив-ності обробки без збільшення температури і погіршення якості оброблюваної поверхні за рахунок реалізації сталого теплового процесу в умовах лезової об-робки (точіння) і глибинного шліфування.

4. Вперше встановлена умова значного зменшення товщини дефектного шару оброблюваної деталі, яка полягає в зміні з часом обробки фактичної гли-бини шліфування по закону нескінченно убутної геометричної прогресії, що ре-алізується при шліфуванні за схемою виходжування з оптимальною швидкістю деталі і забезпечує рівність товщини дефектного шару і величини пружного пе-реміщення, що виникає в технологічній системі і визначає похибку розміру об-робки.

Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що на основі розробленої математичної моделі, теоретичних і експериментальних до-сліджень створені ефективні технологічні процеси фінішної механічної обробки деталей пар тертя поршневих насосів, що забезпечують підвищення продуктив-ності і якості обробки за рахунок виключення температурних дефектів на обро-блених поверхнях і відповідно підвищення ресурсу роботи виготовлених Порш-невих насосів. Розроблено нову інженерну методику розрахунку оптимальних умов обробки з урахуванням обмеження по температурному фактору, заснова-ну на рішенні рівняння теплового балансу при шліфуванні. Розроблені техноло-гічні процеси впроваджені в основне виробництво ВАТ “Харківський завод Гі-дропривід” з економічним ефектом більш як 100 тис. грн. на рік.

Результати роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі “Техніка і технології” Харківського національного економічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що їм розроблена марема-тична модель визначення температури і інших параметрів теплового процесу при шліфуванні. Теоретично обґрунтований вплив розподілу тепла між струж-ками, що утворюються, і оброблюваною деталлю на температуру при шліфу-ванні, сформульовані основні умови зниження температури при шліфуванні і точінні. Розроблено нову інженерну методику розрахунку оптимальних умов обробки з урахуванням обмеження по температурному фактору на основі теп-лового балансу при шліфуванні. Проведено експериментальні дослідження па-раметрів теплового процесу при шліфуванні, що підтвердили вірогідність тео-ретичних рішень. Створені і впроваджені у виробництво ефективні технологіч-ні процеси фінішної обробки деталей пар тертя поршневих насосів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної ро-боти доповідалися й обговорювалися на XI і XII Міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні і комп'ютерні технології”, м. Харків, 2005-2006 р.р.; XIV Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”, м. Харків, 2006 р.; XIV Міжнародному науково-технічному семінарі “Високі технології: тенденції роз-витку”, Харків-Алушта, 2005 р.; ІV Міжнародній науково-технічній конферен-ції “Сучасні інструментальні системи, інформаційні технології і інновації”, м. Курськ, Росія, 2006 р. Роботу в повному обсязі заслухано та схвалено на роз-ширеному науковому семінарі кафедри “Технологія машинобудування” Одесь-кого національного політехнічного університету (2006 р.) та науково-технічному семінарі в ВАТ “Харківський завод Гідропривід” (2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 9 наукових працях, у тому числі 6 наукових праць у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота склада-ється із введення, чотирьох розділів, висновків і п'яти додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 228 сторінок, з них 86 ілюстрацій на 44 сторін-ках; 23 таблиці за текстом, 7 таблиць на 7 сторінках; 156 найменувань викорис-таних літературних джерел на 16 сторінках; 5 додатків на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, у якій обґрунтована акту-альність, новизна і практична значимість отриманих результатів, сформульова-ні мета і задачі досліджень. Показано особистий внесок здобувача у виконану роботу і результати апробації дисертації.

У першому розділі проведено аналіз рівня діючих технологічних проце-сів фінішної механічної обробки відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів, виготовлених із загартованої сталі ШХ15 твердістю HRC 61...65. Вияв-лено їхні основні недоліки, що складаються в нестабільному забезпеченні якос-ті обробки у зв'язку з появою різних температурних дефектів на оброблених поверхнях на операціях шліфування. На основі аналізу існуючих теоретичних рішень про технологічні можливості операцій шліфування показано, що вико-нання вимог по бездефектній обробці вимагає більш істотного зменшення про-дуктивності шліфування, чим при виконанні вимог по шорсткості і точності об-роблюваних поверхонь. Виходячи із цього, зроблений висновок про не обхід-ність визначення нових резервів шліфування на основі науково обґрунтованого вибору оптимальних умов обробки, що забезпечують максимально можливу продуктивність, обумовлену температурним фактором і отриману з урахуван-ням балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь. Показано, що для рішення даної задачі важливо розробити нову математичну модель визначення температури при шліфуванні, засновану на урахуванні теплового балансу, оскі-льки у відомих теоретичних рішеннях розглядаються закономірності поширен-ня 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 шлі-фуванні і визначення умов підвищення ефективності обробки необхідно мати у своєму розпорядженні функціональні зв'язки між температурою шліфування і кількістю тепла, що йде відповідно в стружки і оброблювану деталь. На підста-ві цього сформульована мета і задачі досліджень, які наведені вище.

Основними науковими передумовами роботи стали важливі результати теоретичних і експериментальних досліджень теплових процесів при шліфу-ванні, отримані проф. Якімовим О.В., проф. Усовим А.В. та іншими вченими.

У другому розділі наведена розроблена математична модель визначення температури при шліфуванні, заснована на урахуванні балансу тепла, що йде в стружки і оброблювану деталь. У розрахунковій схемі, показаній на рис. 1, припуск на обробку (за аналогією з роботами проф. Якімова О.В.) представле-ний пакетом нескінченно тонких адіабатичних стержнів, які в процесі шліфу-вання перерізуються зі швидкістю . Для виконання розрахунків прийнято, що за час дії теплового джерела відбулося перерізання стержня довжиною , тобто теплове джерело перемістилося уздовж стержня на величину , і за цей час у результаті різання виділена кількість тепла . Це тепло, по-перше, пішло на нагрівання стружок, що утворюються, тобто ділянки стержня довжиною (витрачена кількість тепла ), по-друге, на нагрівання ділянки стержня довжиною за рахунок теплопровідності оброблюваного матеріалу (витрачена кількість тепла ). Виходячи із цього, рівняння балансу тепла представлено у вигляді диференціального рівняння щодо темпера-тури 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.

Рішення диференціального рів-няння для початкової умови :

(2)

або у відносних величинах:

; ; , (3)

де – відносна величина температури; – умовна напруга різання, Н/м2; – щільність теплового потоку, Вт/м2.

Із залежності (3) витікає, що відносна величина температури зі збіль-шенням довжини стержня (або часу контакту шліфувального кру-га зі стержнем) збільшується приблизно за експонентним законом, асимптоти-но наближаючись до одиниці (рис. 2). Це свідчить про існування сталого в часі теплового процесу при шліфуванні, реалізованого при відносно великих значеннях (або ), наприклад, при гли-бинному шліфуванні. Дане рішення є принципово новим, тому що відповідно до відомого теорети-чного рішення, в якому не враховуєть-ся функціонально кі-лькість тепла, що йде в стружки (=0), а враховується тільки кількість тепла, що йде в оброблювану деталь, відносна величина температури необмежено збільшується зі збіль-шенням часу (відносної величини ), рис. 3. При розбіжність ре-зультатів розрахунків, отриманих з використанням нового і відомого рішень, не істотна (до 1,5 разів), а при – досить значна, що вимагає застосування для розрахунків більш точного нового рішення. Безрозмірна величина в роботі прота-бульована, що дозволяє досить просто за відомим значенням установити відносну величину температури .

Використовуючи отримане рішення, визначені основні пара-метри теплового процесу при шліфуванні: довжина стержня , рівна товщині поверхневого шару оброблюваної деталі, у якому концентрується тепло; миттєва швидкість поширення тепла вглиб розгляну-того адіабатичного стержня; частки тепла і , що йдуть відповідно в стружки, що утворюються, і оброблювану деталь:

; ; , (4)

; . (5)

З наведених залежностей витікає, що довжина стержня змінюється за законом зміни відносної величини температури (рис. 2, табл. 1). Миттєва швидкість , навпаки, зі збільшенням безупинно зменшується, асимптоти-но наближаючись до значення .

Таблиця 1

Розрахункові значення безрозмірних величин , і / |

0,091 | 0,167 | 0,333 | 0,5 | 0,632 | 0,85 | 0,9 | 0,99 | 0,999 | 0,9999

0,004 | 0,015 | 0,072 | 0,193 | 0,368 | 1,047 | 1,4 | 2,005 | 3,6 | 6,0

0,091 | 0,167 | 0,333 | 0,5 | 0,632 | 0,85 | 0,9 | 0,99 | 0,999 | 0,9999

/ | 22,75 | 11,13 | 4,625 | 2,59 | 1,717 | 0,818 | 0,643 | 0,495 | 0,278 | 0,167

Відносні величини і визначаються лише одним параметром – відносною величиною температури , рис. 4. Отже, зменшення величини припускає зменшення і збільшен-ня за рахунок зменшення добутку параметрів відповідно до залеж-ності (3). Цим показано, що розподіл те-пла між стружками, що утворюються, і поверхневим шаром оброблюваної дета-лі обумовлений температурою шліфу-вання. Це добре погодиться з результат-тами експериментальних досліджень різних процесів механічної обробки, наве-дених у науково-технічній літературі. Наприклад, з відомими експерименталь-ними даними проф. Данієляна А.М., згідно яким зі збільшенням швидкості рі-зання і відповідно температури різання при точінні, частка тепла, що йде в стружку, збільшується, асимптотично наближаючись до значення 80%, а частка тепла, що йде в оброблювану деталь, навпаки, зменшується до значення 20%.

Рис. 5. Структурна схема умов зменшення температури при шліфуванні .

На основі проведеного теоретичного аналізу сформульовані основні умо-ви зменшення температури при шліфуванні (рис. 5), що полягають в змен-шенні параметрів (рівного глибині шліфування) і . У роботі також отримана залежність, що дозволяє в явному виді виразити відносну величину температури через параметри теплового процесу при шліфуванні:

. (6)

Установлено, що відносна величина температури цілком однозначно визначається сумарною довжиною ділянки стержня ( + ), підданого тепло-вому впливу. Чим менше дана величина, тим менше відносна величина температури і відповідно температура при шліфуванні .

У третьому розділі наведені результати дослідження умов зменшення температури при механічній обробці. Показано, що найбільша температура при плоскому шліфуванні досягається за умови (рис. 1), тобто в момент виходу шліфувального круга з контакту з розглянутим адіабатичним стержнем. Тоді залежність (3) приймає вид:

(7)

де – глибина шліфування, м; ? питома продуктивність обробки, м3/(м• с); – швидкість деталі, м/с; – радіус круга, м.

Виходячи із цього, зроблена кількісна оцінка основних параметрів тепло-вого процесу при плоскому багатопрохідному (=0,01•10-3 м) і глибинному ( = 10-3 м) шліфуванні найбільш важкооброблюваного матеріалу – твердого спла-ву ВК8, здійснюваного з досить високою питомою продуктивністю обробки =600 мм3/(мм• хв), табл. 2.

Таблиця 2

Розрахункові значення параметрів , , , , , , , , , ,

( =50 Вт/(м•К); =175,9 Дж/(кг•К); =15• 103 кг/м3; =0,3 м)

Вид шлі-

фування | •

10-2, с | •10-3, м/с | •

10-2 | •

10-2 | ,К | •

10-3, м/с

Багато-

прохідне | 0,17 | 5,8 | 0,3 | 7,7 | 466 | 0,05 | 0,95 | 19,0 | 0,04 | 75,4 | 13

Глибинне | 173 | 0,58 | 3 | 22,8 | 1385 | 0,16 | 0,84 | 5,25 | 0,14 | 2,55 | 4,4

Із табл. 2 витікає, що відносна величина температури приймає невеликі значення, значно менші одиниці. Це свідчить про те, що для даних умов шліфу-вання має місце несталий тепловий процес.

Таблиця 3

Розрахункові значення параметрів для =16• 109 Н/м2

Вид шліфування | , с | •10-3, м | , К

Багатопрохідне | 0,28 | 3,27 | 6064

Глибинне | 28,2 | 32,67 | 6064

Параметри сталого теплового процесу ( ), описувані залежностями:

; ; ; , (8)

для розглянутих умов обро-бки приймають досить вели-кі значення (табл. 3), не вла-стиві процесу шліфування. Отже, практично неможливо здійснити сталий тепловий процес при шліфуванні важ-кооброблюваного твердого сплаву. Він може бути реалі-зований при шліфуванні більш “м'яких” матеріалів, наприклад, сталей. Це під-тверджується експеримента-льними даними проф. Силіна С.С., отриманими при високопродуктивному плоскому глибинному абразивно-му шліфуванні сталей і жароміцних сплавів: зі збільшенням глибини шліфуван-ня і швидкості деталі температура шліфування спочатку збільшується, потім стабілізується. Такий же характер зміни температури встановлений нами теоре-тично, рис. 6. Із цього випливає, що реалізація сталого теплового процесу при шліфуванні відкриває нові можливості істотного збільшення продуктивності обробки без збільшення температури і погіршення якості оброблюваних повер-хонь. Однак для цього необхідно забезпечити при шліфуванні задану темпера-туру, що виключає утворення температурних дефектів на оброблюваній повер-хні. Це досягається, головним чином, за рахунок зменшення умовної напруги різання у відповідності із залежністю, отриманою Новіковим Ф.В.:

, (9)

де - межа міцності оброблюваного матеріалу на стиск, Н/м2; - коефіцієнт різання; , - тангенціальна і радіальна складові сили різання, Н.

Із залежності (9) витікає, що умовна напруга різання тим менша, чим більше коефіцієнт різання . Тому з метою зменшення температури поверх-невого шару оброблюваної деталі ефективно переходити від шліфування до ле-зової обробки, наприклад, до тонкого точіння, що характеризується більшими значеннями (тому що при шліфуванні <1, а при лезовій обробці >1). Виходячи із цього, на основі залежності (3) з урахуванням співвідно-шень і визначена відносна величина температури при по-здовжньому точінні:

, (10)

де - товщина зрізу, м; - швидкість різання, м/с; - умовний кут сколю-вання оброблюваного матеріалу.

Як видно, безрозмірна величина і відповідно відносна величина темпе-ратури однаковою мірою залежать від товщини зрізу і швидкості різання . З їхнім збільшенням відносна величина температури спочатку збільшу-ється, потім стабілізується, табл. 1. Кількісними розрахунками встановлено, що при точінні, на відміну від процесу шліфування, умова виконується в ши-рокому діапазоні режимів різання, які реалізуються на практиці. Отже, при то-чінні типовою залежністю, що визначає характер зміни температури різання від швидкості різання , є залежність, показана на рис. 6. Така ж залежність уста-новлена експериментально проф. Данієляном А.М. і проф. Лоладзе Т.М. при дослідженні процесу точіння, а також інших видів лезової обробки.

Реалізація сталого теплового процесу при точінні забезпечує істотне збі-льшення питомої продуктивності обробки =• без збільшення температу-ри різання і відповідно погіршення якості оброблюваних поверхонь, що є важ-ливим резервом підвищення ефективності фінішної механічної обробки. Цим теоретично обґрунтована можливість застосування за певних умов процесу то-чіння замість шліфування з погляду підвищення якості і продуктивності оброб-ки.

У роботі визначені умови зменшення довжини стержня (рис. 1), у яко-му концентрується тепло, що виділяється при шліфуванні, і який визначає тов-щину дефектного поверхневого шару обробленої деталі, обумовленого темпе-ратурним фактором. Виходячи із залежності (4), при заданій (критичній) темпе-ратурі шліфування, обумовленій відносною величиною температури , змен-шити параметр можна лише зменшенням швидкості , тобто зменшенням глибини шліфування і відповідно збільшенням швидкості деталі за умови (застосуванням багатопрохідного шліфування). При глибинному шліфуванні ( ) також можна зменшити параметр за рахунок збільшення питомої продуктивності обробки . У цьому випадку практично все тепло, що Туво-рюється при шліфуванні, як витікає із залежності (5), іде в стружки. В оброб-лювану деталь іде невелика частка тепла. Цим, властиво, і пояснюється ос-новний фізичний ефект глибин-ного шліфування, який полягає в можливості високоякісної оброб-ки при одночасному підвищенні продуктивності.

У роботі отримано нове аналітичне рішення, що визначає умову істотного зменшення па-раметра . Його суть складається в необхідності обмеження меж зміни параметра величиною припуску , що знімається, тоб-то в забезпеченні таких умов об-робки, при яких параметр фо-рмувався б “усередині” шару припуску , рис. 7. Для цього аналітично описаний ха-рактер зміни глибини шліфування із часом об-робки (по проходах кру-га). Показано, що для ви-конання даної умови гли-бину шліфування необ-хідно змінювати за зако-ном нескінченно убутної геометричної прогресії, рис. 8 (де , – максимально можлива температура, К; – задана температура, К ()). Аналітично встановлено, що по тако-му ж закону зменшується фактична глибина шліфу-вання при виходжуванні, тобто при шліфуванні з відключеною радіальною подачею. Тому з умови рівності знаменників двох прогресій визначена оптима-льна швидкість деталі , при якій можлива реалізація умови істотного зме-ншення параметра :

, (11)

де – жорсткість технологічної системи, Н/м; – коефіцієнт шлі-фування; – швидкість круга, м/с; – ширина шліфування, м.

Залежність (11) встановлює зв'язок між температурою шліфування і умовами обробки. Задаючи необхідне значення , по залежності (11) можна ви-значити відповідну їй швидкість деталі . Як видно, чим більше , тим ме-нше повинна бути швидкість деталі . Збільшенню також сприяють підвищення ріжучої здатності шліфувального круга (збільшення коефіцієнта шліфування і зменшення умовної напруги різання ), збільшення парамет-рів , і зменшення .

При цьому установлено, що з фізичної точки зору параметр дорівнює величині пружного переміщення , що виникає в технологічній системі при виходжуванні (тобто похибці розміру обробки). Зменшення величини до значень 0...10 мкм із часом обробки веде автоматично до зменшення параметра (товщини дефектного шару обробленої деталі) у таких же межах. Цим пока-зане, що застосування схеми виходжування при шліфуванні дозволяє домогтися зменшення товщини дефектного шару оброблюваної деталі, який потім не-складно усунути на наступній операції доведення.

У четвертому розділі наведені результати створення і впровадження ефе-ктивних технологічних процесів фінішної механічної обробки деталей пар тертя поршневих насосів. Для цього проведені експериментальні дослідження твердо-сті (по Віккерсу) поверхні і товщини дефектного шару обробленої деталі (накла-дного диска із загартованої сталі ШХ15 – відповідальної деталі пари тертя “підп'ятник – накладний диск” аксіально-поршневого насоса) при плоскому шліфуванні абразивним кругом 1А1 х63х203 24А40СМ1К6, рис. 9,а. Устано-влено значне зниження твердості поверхні (в 1,63 рази) зі збільшенням глибини шліфування в межах 0,01–0,2 мм, що свідчить про істотне обмеження глибини шліфування у зв'язку з температурним фактором. Показано, що забезпечити твердість обробленої поверхні, близьку до вихідного значення, і одночасно від-носно високу продуктивність обробки можна за рахунок виконання операції плоского шліфування в три переходи (попереднє і остаточне шліфування і на-ступне виходжування), реалізуючи на першому переході максимально можливу продуктивність, а на другому і третьому переходах – домагаючись видалення дефектного шару деталі, що утворився на першому переході.

Експериментально встановлений зв'язок (рис. 9,б) фактичної глибини шліфування (обумовленої пружними переміщеннями в технологічній систе-мі) і товщини дефектного шару деталі після її шліфування (величини , при якій твердість HV дорівнює вихідній твердості деталі до обробки) і обґрунтована умова істотного зменшення товщини дефектного шару при виходжуванні: . Цим підтверджене отримане в роботі теоретичне рішення про ефек-тивність застосування процесу виходжування для видалення дефектного шару деталі, що утворюється при шліфуванні.

На основі аналі-тичних залежностей (7) і визначені параметри , і (рис. 10) для плоского шліфування деталі
із загартованої
сталі ШХ15 (коефіці-єнт температуропрові-дності сталі =8,4•10-6 м2/с;

=42 Вт/м•0С; =0,225 м; =30 м/хв). Теоретичні ре-зультати погодяться з експериментальними даними, наведеними на рис. 9,б, які вказують на те, що відношення (відповідне від-ношенню ) завжди більше одиниці. Отже, для даних умов шліфу-вання відносна вели-чина температури буде менше значення 0,8. Спостережу-ване розходження експерименталь-них значень тов-щини дефектного шару і розра-хункових значень товщини шару , у якому концент-рується тепло, що утворюється при шліфуванні, свід-чить про те, що умови формуван-ня дефектного шару деталі при шліфуванні підкоряються більш складним фізичним законам і не можуть бути однозначно описані параметром .

Експериментально встановлені значення потужності і продуктивності шліфування, що дозволило розрахунково-експериментальним методом визна-чити (табл. 4) умовну напругу різання і температуру при плоскому шліфу-ванні загартованої сталі ШХ15 з урахуванням значень , наведених на рис. 10.

Таблиця 4

Значення , і ( =30 м/хв)

, мм | 0,04 | 0,08 | 0,12 | 0,2

0,19 | 0,3 | 0,4 | 0,55

, кГс/мм2 | 1333 | 1000 | 889 | 800

0С | 506 | 600 | 711 | 880

Установлено, що в момент появи припіку на оброблюваній поверхні ( =0,2 мм) температура приймає значення 8800С, а найбільше значення (при =1) дорівнює 16000С, що приблизно відповідає температурі плавлення сталі ШХ15. Отже, при плоскому шліфуванні загартованої сталі ШХ15, на відміну від шліфування твердого сплаву (як це показано в третьому розділі роботи), може бути реалізований сталий тепловий процес (відносна величина темпера-тури ). Це добре погодиться з основними положеннями розробленої мате-матичної моделі визначення температури при шліфуванні.

Проведено експериментальні дослідження при плоскому шліфуванні шо-рсткості і параметрів точності обробки: відхилення від площинності і відхилен-ня від паралельності. Установлено, що забезпечити необхідні значення відхи-лення від площинності – 0,005 мм і відхилення від паралельності – 0,01 мм мо-жна в процесі виходжування, а шорсткість обробки на рівні =0,16 мкм за ра-хунок застосування додаткової операції доведення абразивними пастами М16 – М20.

Запропонована методика вибору оптимальних режимів шліфування за критерієм бездефектної обробки була використана для вдосконалювання безце-нтрового шліфування циліндричної частини поршня із загартованої сталі ШХ15. Із цією метою була розроблена технологія безцентрового шліфування в три переходи, що дозволило підвищити твердість обробленої поверхні і експлу-атаційні властивості пари тертя “поршень – циліндр (втулка корпуса)”. Техно-логія забезпечує шорсткість поверхні =0,32 мкм і відхилення від циліндрич-ності 0,005 мм. Наступним доведенням вільним абразивом досягається необхід-на шорсткість =0,16 мкм.

Експериментально встановлено, що заміна операції шліфування, здій-нюваної на профіле-шліфувальному верстаті мод. Л3190, на операцію тонкого точіння, здійснюваної на сферо-токарному верстаті мод. 16М25, сферичної по-верхні поршня із загартованої сталі ШХ15 дозволяє забезпечити твердість об-робленої 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.

На основі проведених експериментальних досліджень розроблені науково обґрунтовані рекомендації з вибору оптимальних умов високоякісної фінішної механічної обробки, створені і впроваджені в основне виробництво ВАТ “Хар-ківський завод Гідропривід” ефективні технологічні процеси плоского і безцен-трового шліфування, тонкого точіння (у тому числі різцями із синтетичних над-твердих матеріалів) і доведення абразивними пастами відповідальних деталей пар тертя поршневих насосів. Це дозволило виключити температурні дефекти обробки і забезпечити твердість обробленої поверхні, близьку до вихідного зна-чення, при одночасному збільшенні на 30-50% продуктивності обробки, скоро-ченні витрат по різальному інструменту (шліфувальних кругах) і зниженні тру-домісткості наступних операцій доведення вільним абразивом. Підвищення яко-сті обробки деталей пар тертя дозволило підвищити ресурс роботи поршневих насосів більш ніж у два рази і досягти рівня світових виробників подібної про-дукції (наприклад, закордонних фірм “Parker Hydraulics” і “Bosch Rexroth”). Економічний ефект від впровадження розроблених технологічних процесів фі-нішної абразивної і лезової обробки деталей пар тертя поршневих насосів у ВАТ “Харківський завод Гідропривід” склав 101882 гривень на рік.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі отриманих нових науково об ґрунтова-них результатів вирішена важлива і актуальна науково-практична задача ство-рення ефективної технології фінішної механічної обробки відповідальних дета-лей пар тертя поршневих насосів за рахунок вибору оптимальних умов високо-якісної обробки на основі урахування теплового балансу при шліфуванні.

1. Розроблено нову математичну модель визначення температури при шлі-фуванні 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 наближаю-чись до значення, рівного відношенню умовної напруги різання до питомої те-плоємності і щільності оброблюваного матеріалу, і з фізичної точки зору визна-чаючого 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 розра-хункових 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 ха-рактеру зміни частки тепла, що йде в оброблювану деталь. Це добре погодиться з відомими експериментальними даними про взаємозв'язок температури з роз-поділом 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 значен-ня, 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 збіль-шенні частки тепла, що йде в оброблювану деталь, за рахунок зменшення гли-бини шліфування і швидкості переміщення теплового джерела вглиб поверхне-вого шару оброблюваної деталі.

5. Обґрунтовано можливість істотного збільшення продуктивності обробки без збільшення температури і погіршення якості оброблюваної поверхні за ра-хунок 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 оброб-ки і меншою температурою поверхневого шару оброблюваної деталі. Це свід-чить 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 оброб-ки фактичної глибини шліфування за законом нескінченно убутної геометри-ної прогресії, що, як доведено, реалізується при шліфуванні за схемою вихо-джування з оптимальною швидкістю деталі і забезпечує рівність товщини де-фектного 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 тов-щини дефектного шару обробленої деталі із загартованої сталі ШХ15. Виходя-чи 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 ви-хідного значення (до обробки), і високі показники точності оброблюваних по-верхонь. 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 ре-жиму шліфування з урахуванням обмежень по температурі шліфування і тов-щині 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 шорс-ткість поверхні =0,32 мкм і відхилення від циліндричності 0,005 мм. Насту-пним доведенням вільним абразивом досягається необхідна шорсткість =0,16 мкм.

9. Експериментально встановлено, що перехід від шліфування, здійснюва-ного на профіле-шліфувальному верстаті мод. Л3190, до тонкого точіння, здій-снюваного на сферо-токарному верстаті мод. 16М25, сферичної поверхоні по-ршня із загартованої сталі ШХ15 дозволяє забезпечити твердість обробленої поверхні, близьку до вихідного значення, у широких межах зміни режимів рі-зання. Це свідчить про зниження інтенсивності теплової напруженості обробки при точінні в порівнянні зі шліфуванням і підтверджує отримані в роботі в да-ному 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 температур-ного 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.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яценко С.М. Условия снижения температуры поверхностного слоя дета-ли при механической обработке // Високі технології в машинобудуванні: Збір-ник наукових праць Національного технічного університету ”Харківський по-літехнічний інститут”. ? Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. ? Вип. 2 (11). ? С. 471-475.

2. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Расчет теплового баланса и температуры ре-зания при шлифовании // Вісник Харківського національного технічного уні-верситету сільського господарства. – Харків: ХНТУСГ, 2005. – Вип. 33. – С. 125-129.

3. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Обоснование структуры и параметров техно-логического процесса механической обработки с учетом температурного фак-тора // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехні-чний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2005. ? № 28. – С. 117-125.

4. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Формирование температуры поверхностного слоя обрабатываемой детали при резании и шлифовании // Вісник Національно-го технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2005. ? № 29. – С. 115-122.

5. Новиков Г.В., Ковальчук А.Н., Яценко С.М. Исследование структуры и параметров рабочей поверхности алмазно-абразивных инструментов // Вісник Національного технічного університету ”Харківський політехнічний інститут”. – Харків: НТУ “ХПІ”. – 2005. – № 12. – С. 110-118.

6. Яценко С.М. Расчет и количественная оценка параметров теплового про-цесса при шлифовании // Вісник Харківського національного технічного уні-верситету сільського господарства ім. Петра Василенка. – Харків: ХНТУС, 2006. – Вип. 42. – С. 215-223.

7. Яценко С.М. Теоретические исследования температуры поверхностного слоя детали при ее механической обработке // В кн.: Физико-математическая теория процессов обработки материалов и технологии машиностроения. В де-сяти томах. – Т.10. “Концепция развития технологии машиностроения”. – Одес-са: ОНПУ, 2005. – С. 124-159.

8. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Новый упрощенный подход к расчету темпе-ратуры поверхностного слоя детали при ее механической обработке // Труды 11-й Международной научно-технической конференции. Физические и компь-ютерные технологии. – Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2005. – С. 137-146.

9. Новиков Ф.В., Яценко С.М. Расчет температуры шлифования с учетом движения теплового источника вглубь поверхностного слоя обрабатываемой детали // Труды 12-й Международной научно-технической конференции. Физи-ческие и компьютерные технологии. – Харьков: ХНПК “ФЭД”, 2006. – С. 105-111.

Яценко С.М. Підвищення ефективності технології фінішної обробки деталей пар тертя поршневих насосів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – Одеський національ-ний політехнічний університет,