Совершенствование технологической операции с помощью методов технического творчества

44

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тольяттинский Государственный Университет

Кафедра оборудования и технологии

машиностроительного производства

Контрольная работа по дисциплине

«Основы технического творчества»

на тему «Совершенствование технологической

операции с помощью методов технического творчества»

Преподаватель:

профессор Гордеев А.В.

Студент:

Андриянов Д. C.

Тольятти 2008 г.

Содержание

Введение

1.Описание операции и её критический анализ

1.1 Описание операции

1.2 Выявление недостатков операции

1.3 Формулировка цели усовершенствования

2.Совершенствование операции с помощью метода проб и ошибок (МПО)

2.1 Совершенствование операции с помощью мозгового штурма (МШ)

2.2 Совершенствование операции с помощью КВ

2.3 Совершенствование операции с помощью МФО

2.4 Совершенствование операции с помощью МА

3. Выявление противоречий ТС

4. Разрешение противоречий с помощью методов ТТ

4.2 Совершенствование операции с помощью ВА

4.3 Совершенствование операции с помощью ЭП

5. Результаты усовершенствования операции

5.1 Описание усовершенствованной операции

Литература

Введение

Цель работы - закрепить знания и умения в области методологии технического творчества (ТТ).

Задача работы - усовершенствовать шлифовальную операцию технологического процесса (ТП) обработки передней поверхности чашечного долбяка с помощью методов ТТ.

1.Описание операции и её критический анализ

1.1.Описание операции

Операция 055 ТП шлифования передней поверхности долбяка является чистовой и выполняется после токарной обработки. Операция включает шлифование поверхности 1 и содержит 1 переход.

Согласно типовому ТП хвостовик 6 шлифуют периферией круга.

Рис.1.1. Эскиз шлифовальной операции 055

Заготовка детали - штамповка из быстрорежущей стали Р6М5 твёрдостью после термообработки НRС 64. Заготовка прошла токарную обработку и термообработку. Обрабатываемая поверхность 1 является исполнительной поверхностью. Перед данной операцией она имеет точность 8 квалитет и шероховатость Rа=1,6 мкм. Теоретическими технологическими базами являются ось заготовки (упорная база), торец 4 (установочная база). Фактическими технологическими базами являются поверхность 10 и поверхность 4.

Режущий инструмент - шлифовальный круг формы 2П 340Ч16Ч127 характеристики 24А25СМ16К5 по ГОСТ 2424-75. Рабочими поверхностями являются: при обработке пов. 6 - периферия круга. Класс точности круга - А по ГОСТ 2424-75. Стойкость круга между правками - 10 деталей. Правку круга производят алмазным карандашом с помощью специального правящего устройства.

Заготовку устанавливают на оправку. Вращение заготовке передаётся от привода стола.

Оборудование - круглошлифовальный станок мод. 3А11OB. Максимальный диаметр обработки - Ш 140, длина шлифования - до 200 мм. Частота вращения шпинделя шлифовального круга n=3900 об/мин. Частота вращения шпинделя заготовки n1=100…1000 об/мин с бесступенчатым регулированием. Скорость продольной подачи стола S=0,03…2,2 м/мин с бесступенчатым регулированием. Мощность привода главного движения N= 2.2 кВт [14].

Припуск на обработку составляет 0,5 мм. Размеры обработки приведены на эскизе операции (рис.1). Точность обработки диаметральных размеров - 8 квалитет (допуск IТ=0,022 мм для поверхности 1). Шероховатость поверхности 1 Rа=0,25. Охлаждающая жидкость - полив 5% раствором эмульсии.

Режимы резания:

скорость шлифования V=40 м/с ( n=1950 об/мин);

круговая подача V1=35 м/мин ( n1=370об/мин);

продольная подача Sм=2,5 м/мин;

глубина шлифования t=0,03мм/дв.ход.

Время обработки (расчет см. п. 1.2):

основное: для пов. 6 ф 06 = 1.17мин;

суммарное ф 06 = 1.17мин;

штучное фшт = 1.35 мин.

1.2 Выявление недостатков операции

С целью выявления недостатков операции проводим индивидуальный обратный мозговой штурм (ОМШ) [1,4]. На первой стадии ОМШ выявлены следующие недостатки операции:

1)Большая шероховатость обработанной поверхности, что ведёт к снижению скорости подачи и увеличению времени выхаживания.

2)Низкая стойкость круга вследствие засаливания, что требует его частой правки.

3)Большие силы резания, вследствие чего происходит отжим заготовки от шлифовального круга, потеря точности, увеличение времени обработки из-за необходимости выхаживания.

4)Высокая температура шлифования, что ведёт к возникновению прижогов на обрабатываемой поверхности при попытке ужесточить режим шлифования.

5)Низкая размерная стойкость круга вследствие его интенсивного изнашивания, что ведёт к потере точности и требует частой подналадки.

6)Недостаточная концентрация переходов, что ведёт к потере как основного, так и вспомогательного времени.

7)Вибрации при работе, что ведёт к волнистости и дроблению обработанной поверхности.

8)Неоптимальная характеристика круга, что не позволяет работать на оптимальных режимах.

9)Большие расходы на правку рабочей поверхности круга вследствие его низкой стойкости и высокой стоимости правки.

10)Необходимость прерывания процесса шлифования для контроля обработки.

11)Наличие ручного труда при обработке торца.

12)Низкая прочность шлифовального круга, что не позволяет повысить скорость шлифования из-за опасности его разрыва.

13)Длительное время установки заготовки в поводковом устройстве, что ведёт к увеличению штучного времени на операцию.

14)Неудовлетворительные условия для размещения стружки, что ведёт к росту сил резания и засаливанию круга.

15)Низкая эффективность охлаждения вследствие того, что СОЖ не попадает в зону обработки.

16)Установившийся температурный режим, что является одной из причин высокой температуры в контакте круга с заготовкой.

На второй стадии ОМШ проводим экспертизу выявленных недостатков с целью определения главных из них. Главными недостатками, на наш взгляд, являются:

1)Недостаточная концентрация переходов. Шлифование передней поверхности 1 выполняют в 1 переход. Основное время обработки ф0 равно времен ф01 обработки поверхности 1:

ф 0= ф 01 (1.1)

Рассмотрим стурктуру основного времени для перехода. Для обработки поверхности 6 имеем:

(1.2)

где L - величина рабочего хода стола, мм;

Sм - скорость продольной подачи, м/мин;

ф п - время реверса стола, мин;

Z - припуск на сторону, мм;

t - глубина шлифования, мм/дв.ход;

Кв - коэффициент, учитывающий время выхаживания.

Для пов 6 имеем:

L =20; Sм =2.5; ф п =0,02; z =0,5; t =0,03; Кв =1,25

Подставляя в (1.2) получим:

мин.

Суммарное основное время ф 0 согласно (1.1):

ф 0 =1,17 мин.

Таким образом, принятая схема обработки не обеспечивает требуемую производительность операции.

2) Высокая температура в зоне шлифования. Шлифование является весьма теплонапряжённым процессом. Большие удельные нагрузки в зоне обработки, низкая теплопроводность шлифовального круга, затруднение попадания СОЖ в зону контакта и др. факторы являются причиной возникновения в зоне обработки высоких температур, соизмеримых с температурой необратимых структурных превращений в обрабатываемом материале [5]. При достижении таких температур появляется опасность образования на обработанной поверхности прижогов. Это не позволяет ужесточить режим резания при обработке.

Для охлаждения зоны резания в неё подаётся смазывающе-охлаждающая жидкость (СОЖ). СОЖ подаётся поливом свободно падающей струёй. Но вследствие высокой скорости вращения шлифовального круга вокруг него образуется воздушная подушка, которая препятствует попаданию СОЖ к месту контакта с заготовкой. Увеличение же давления СОЖ в несколько раз увеличивает расход СОЖ, а также существенно усложняет конструкцию и увеличивает габариты станка.

Таким образом, высокие температуры в зоне шлифования снижают производительность и качество обработки.

3)Большие расходы на правку шлифовального круга. Быстрорежущая сталь Р6М5 является достаточно твёрдым материалом, но в условиях высоких температур, какие мы имеем в зоне шлифования размягчённый металл обволакивает режущие зерна. Стружка, смешиваясь с продуктами износа круга и СОЖ, образует так называемый шлам, который забивает поры круга. Круг теряет режущую способность, “засаливается”, силы резания возрастают, увеличивается концентрация тепла и температура в контакте, что становится причиной прижогов. Поэтому круг приходится часто править алмазным правящим инструментом. Теряется производительность обработки, расходуется дорогостоящий алмазный инструмент, в несколько раз увеличивается расход кругов, требуются специальные устройства для закрепления правящего инструмента и управления его подачей. Расходы на правку могут составлять до 50% от стоимости операции [10].

Таким образом, низкая стойкость круга против засаливания, большой расход абразива на правку и высокая стоимость правящего инструмента являются причинами больших расходов на правку круга, что увеличивает себестоимость всей операции шлифования.

1.3 Формулировка цели усовершенствования

Целью усовершенствования шлифовальной операции является повышение производительности и снижение себестоимости обработки путём совмещения технологических переходов, оптимизации схемы шлифования, снижения температуры шлифования, уменьшения расходов на правку.

2.Совершенствование операции с помощью метода проб и ошибок (МПО)

Задача раздела - с помощью различных модификаций МПО дать предложения по усовершенствованию заданной операции.

МПО - наиболее распространенный метод принятия решений, которым мы пользуемся как в обыденной жизни, так и при решении производственных задач, в том числе и технических. Недостатками МПО являются хаотичность, неупорядоченность, субъективизм, отсутствие четкой последовательности действий. Всё это ведёт к большим затратам времени и снижает вероятность получения оптимального решения. Поэтому появились различные модификации МПО - мозговой штурм (МШ), метод контрольных вопросов (КВ), метод фокальных объектов (МФО), морфологический анализ (МА).

2.1 Совершенствование операции с помощью мозгового штурма (МШ)

МШ - один из методов коллективного решения задачи. Сущность МШ состоит в разделении процессов выдвижения идей (проб) и их оценки. Участники МШ делятся на две группы - «генераторы» и «эксперты». Сначала генераторы последовательно предлагают решения без их обсуждения и оценки. После прекращения выдвижения идей эксперты обсуждают их и выбирают лучшие.

Разновидностями МШ могут быть совмещённый МШ, когда генераторами и экспертами являются одни и те же участники; обратный МШ, когда выявляются недостатки ОТ; индивидуальный МШ, когда его проводит один человек, являясь и генератором, и экспертом.

Проводим индивидуальный МШ. На первой стадии МШ выдвинуты следующие предложения:

1)Оптимизировать абразивный материал шлифовального круга (ШК);

2)Оптимизировать связку ШК;

3)Оптимизировать структуру ШК;

4)Оптимизировать твёрдость ШК;

5)Изменить диаметр ШК;

6)Изменить ширину ШК;

7)Оптимизировать зернистость абразива в ШК;

8)Оптимизировать скорость шлифования;

9)Оптимизировать скорость вращения заготовки;

10)Увеличить скорость продольной подачи;

11) Увеличить глубину шлифования;

12) Увеличить расход СОЖ;

13) Увеличить давление СОЖ;

14) Охладить СОЖ;

15)Чаще производить правку ШК.

На второй стадии МШ анализируем данные предложения. В качестве ТР принимаем предложение 1: оптимизировать абразивный материал ШК. Для этого воспользуемся результатами исследований [3]. При исследовании шлифования быстрорежущих сталей Р6М5 и В6 кругами из различных абразивных материалов получены следующие значения показателей процесса (в процентах) (табл. 2.1):

Таблица 2.1

Показатели шлифования кругами из различных абразивов

Абразивный материал	Показатели, %
	Производитель- ность Q	Нормальное усиление Ру	Окружное усилие Рz	Удельный расход q
Электрокорунд белый, 24А	100	100	100	100
Электрокорунд хромистый, 34А	117	133	140	120
Электрокорунд титанистый, 37А	120	90	110	90
Электрокорунд сложнолегированный, 91А	135	90	100	90
Карбид кремния чёрный, 52С		275	320
Карбид кремния зелёный , 63С		210	240
Монокорунд 43А		220	250
Синтетический алмаз		240	240
Эльбор Л20		230	240

Из таблицы видно, что лучшие показатели шлифования имеют круги из сложнолегированного хромтитанистого электрокорунда. Зерна этого материала имеют более высокую твёрдость, что обеспечивает их повышенную режущую способность, по сравнению с другими электрокорундами. В то же время зёрна из сложнолегированного электрокорунда обладают наиболее высокой прочностью, что обеспечивает длительное сохранение зерном режущих свойств в процессе работы. Исходя из сказанного, принимаем для ШК круга в качестве абразивного материала сложнолегированный хромтитанистый электрокорунд 91А, что обеспечивает нам (см. табл. 1):

повышение производительности шлифования на 35%;

снижение нормального усилия на 10%;

снижение удельного расхода ШК на 10%.

2.2 Совершенствование операции с помощью КВ

Метод КВ - один из методов систематизации поиска решений ТЗ. Вопросы могут быть самыми различными. Их содержание определяется основными законами, тенденциями, направлениями развития ТС, которые можно свести к следующему:

1) Увеличение степени идеальности (уменьшение массы, размеров, энергоемкости, времени действия; увеличение КПД, производительности, срока службы, уровня автоматизации).

2) Увеличение степени динамичности (переход от неподвижных объектов к подвижным; увеличение скорости, давления, температуры; переход от плоских элементов к криволинейным, от симметричных - к асимметричным; переход от жестких элементов к упругим, от твёрдых тел - к жидкостям, газам, пастам, порошкам, пене; переход от постоянных характеристик объекта к переменным, от жесткого управления - к адаптивному).

3) Расширение технологических возможностей (увеличение числа выполняемых функций; совмещение функций во времени; объединение объектов в бисистемы, полисистемы).

4) Переход с макроуровня на микроуровень (использование свойств молекул; использование химических свойств веществ).

5) Интеграция ТР (использование аналогов из данной области, из других областей техники, из живой природы).

6) Утилизация отходов (использование отходов вещества или энергии, полезное использование вредных эффектов).

На базе этих тенденций можно сформулировать следующие КВ:

Как можно приблизить ТС к идеальной?

Как можно сделать ТС более динамичной?

Как можно расширить технологические возможности ТС?

10)Можно ли перейти с макроуровня ОТ ТС на микроуровень?

11)Какие аналоги ОТ можно использовать в ТС?

12)Какие вредные свойства ТС можно использовать с пользой?

Отвечая на вопрос 2, приходим к решению увеличить степень динамичности ТС, а именно: повысить скорость шлифования путём увеличения диаметра ШК D, мм. Скорость шлифования V, м/с, определяется выражением [13]:

(4)

где n - частота вращения ШК, об/мин.

Имеем :

м/с

Наружный диаметр круга определяет скорость шлифования и , следовательно, производительность обработки и качество шлифованной поверхности. Чем больше диаметр круга, тем выше производительность и меньше шероховатость Rа. Кроме того, чем больше диаметр круга, тем больше срок его службы, в результате чего сокращается время на установку, закрепление, балансировку кругов при их замене. Правда, с увеличением скорости шлифования возрастают требования к прочности круга на разрыв, поскольку центробежные силы возрастают пропорционально квадрату скорости. Поэтому необходимо принять меры по повышению прочности круга.

Принимаем диаметр круга максимальным, который позволяет шлифовальный станок; D=450 мм, тогда скорость шлифования будет:

м/с

Увеличение скорости шлифования позволит уменьшить шероховатость шлифованной поверхности, а при пропорциональном увеличении скорости подачи увеличит производительность обработки в 1,4 раза.

2.3 Совершенствование операции с помощью МФО

Сущность метода ФО состоит в том, что на совершенствуемый ОТ (фокальный объект, т.е. объект, который находится в фокусе нашего внимания) переносят признаки случайных объектов. В результате получаются такие сочетания признаков, до которых простым перебором вариантов решения дойти было бы непросто.

В качестве ФО выбираем шлифовальный круг (ШК). В качестве случайных объектов выбираем фрезу, бублик, велосипедное колесо. Заносим признаки случайных объектов в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тип признаков	№ признака	Случайные объекты
		1.Фреза	2.Бублик	3.Вел. колесо
		Признаки случайных объектов
Форма	1 2 3 4	Цилиндрическая С центральным отверст. С зубьями Зубья винтовые	Цилиндрическая Пустотелая Полукруглый профиль	Цилиндрическая Полукр.профиль Со спицами
Материал	1 2 3 4	Корпус сталь Быстрорежущая сталь Твёрдый сплав Синтетический алмаз	Тесто Посыпка	Резина Сталь
Крепление	1 2 3	Силы трения Клин Резьба	Молекулярные связи	Натяг Мех. крепление
Д	1 2	Вращение Осцилляция	_	Вращение

В результате комбинации признаков получаем ТР: шлифовальный круг, рис.2.2, в виде колеса с полукруглым профилем с центральным отверстием 3 и пазами 4, абразивный слой состоит из смеси зерен синтетических алмазов и электрокорунда на каучуковой связке и держится с помощью натяга на стальном корпусе.

Сборная конструкция круга позволяет многократно использовать корпус, а также заменять вставки в случае выхода из стоя абразивного слоя Зерна алмаза снимают основную стружку, а зерна электрокорунда оказывают полирующее действие. Упругая связка предохраняет шлифуемую поверхность от царапания выступающими алмазными зернами.

Рис.2.2 Сборный шлифовальный круг

2.4 Совершенствование операции с помощью МА

Сущность МА состоит в том, что в совершенствуемом ОТ выделяют основные элементы, для каждого элемента выбирают альтернативные варианты его использования и, комбинируя их между собой, получают новые ТР.

Таблица 2.3

Тип призна-ков	№ призна-ка	Элементы
		1.Схема шлифования	2.Шлифов.круг	3.Правка ШК
		Варианты исполнения
К	1 2 3	Маятниковая Глубинная	Формы ПП ГОСТ 2424075	Резец Карандаш Ролик
М	1 2 3 4	-	Электрокорунд Сферокорунд Смесь электрокорунд Синтетич.алмазы	Алмаз Пемза
С	1 2 3	-	Связка керамическая Связка бакелитовая Связка вулканитовая	-
Д	1 2 3 4	Возвратно-поступательное Прямолинейное Поперечная подача на 1 х. Поперечная подача на 2 х.	Вращательное Осциллирующее Колебательное	Вращательное Поступатель-ное Возвратно-поступательное

В результате комбинации вариантов получаем следующие ТР.

Маятниковую схему шлифования заменяем глубинной. Время ф0 обработки пов. 1 определяется следующим выражением (без учёта выхаживания ):

(4)

Сравнивая это выражение с (2), видим, что в нём отсутствует слагаемое, учитывающее время переключения хода стола фп , которое, как было показано в п. 1.2, соразмерно с временем шлифования. За счёт этого будем иметь выигрыш производительности:

для пов. 1:

мин

Уменьшение основного времени составит:

Для выбора оптимального состава связки воспользуемся результатами исследований [2].Относительные значения показателей процесса шлифования электрокорундными кругами на различных связках приведены в табл. 2.

Таблица 2.4

Показатели шлифования на различных связках

Связка	Показатели,%
	Производительность Q	Нормальное усиление Ру	Окружное усиление Рz	Удельный расход q	Температура T
Керамическая К5 К7 К26 К1 Бакелитовая Б	100 165 170 90 120	100 85 130 130 120	100 85 200 200 108	100 65 70 350 120	100 110 100 130 115

Из таблицы видно, что лучшие показатели шлифования имеют круги на связке К7. При меньших усилиях резания и незначительном росте температуры, по сравнению с кругами на связке К5, круги на связке К7 обеспечивают существенный рост производительности.

Таким образом, принимаем шлифовальный круг на связке К7.

3.Выявление противоречий ТС

Задача раздела - выявить административное (АП), техническое (ТП)и физическое (ФП) противоречия, присущие шлифовальной операции в её исходном виде.

АП - противоречие между имеющимися и требуемыми свойствами ТС (между тем, что есть, и тем, что должно быть);

ТП - противоречие между свойствами ТС при её изменении (с улучшением одного свойства ухудшается другое);

ФП - противоречие между двумя противоположными состояниями ОТ, в которые он должен быть приведен для решения задачи.

Противоречия ТС выявляют, используя алгоритм выявления противоречий (АВП). АВП содержит три этапа, каждый этап включает несколько шагов.

Этап 1. Выявление АП

Выявление главного недостатка (ГН) и его причин (ПН).

Формулировка проблемы (П) (требуется устранить ГН путем устранения ПН).

Формулировка АП: а) ГН (1.1) вследствие ПН

б) П (1.2)

Этап 2. Выявление ТП

2.1. Выявление конфликтующей пары ОТ - изделия (ОТ, на который направлено действие) и инструмента (ОТ, непосредственно взаимодействующий с изделием).

2.2. Выявление полезного свойства (ПС) ТС:

а) разрешение АП напрямую;

б) выявление ухудшающегося свойства при решении на прямую;

в) формулировка ПС.

2.3. Формулировка ТП: а) ПС (2.2в)

б) ГН вследствие ПН (1.1)

Этап 3. Выявление ФП

3.1. Выбор изменяемого объекта (ИО).

3.2. Формулировка идеального решения (ИР): ИО сам обеспечивает устранение ГН, сохраняя ПС.

3.3. Выявление дефектного элемента (ДЭ) в ИО, не справляющегося с требованиями ИР.

3.4. Формулировка противоположных физических состояний (ФС) ДЭ для выполнения требований ИР:

а) для устранения ГН ДЭ должен быть ФС1;

б) для сохранения ПС ДЭ должен быть противоположное ФС2;

3.5. Формулировка ФП

а) полная: ДЭ должен быть (ФС1 3.4а) и (ФС2, 3.4б);

б) краткая: ДЭ должен быть и не должен быть.

Задача 1

1.1.Выявление главного недостатка (ГН) и его причины .

ГН - низкая производительность операции вследствие неоптимальной схемы шлифования

1.2.Формулировка проблемы (П). Требуется повысить производительность обработки путём оптимизации схемы шлифования.

1.3.Формулировка АП:

Вследствие неоптимальной схемы шлифования производительность низкая; требуется повысить производительность путём оптимизации схемы шлифования

Этап 2.Выявление ТП

2.1. Выявление конфликтующей пары ОТ. Изделие - заготовка, инструмент - шлифовальный станок.

2.2.Выявление полезного свойства (ПС) ТС

а)решаем задачу напрямую: для повышения производительности увеличиваем скорость подачи;

б)при этом ухудшается качество обработки - возрастает шероховатость обработанной поверхности;

в)ПС - малая шероховатость обработанной поверхности.

2.3.ТП :

а)ТС обеспечивает малую шероховатость поверхности;

б)ТС не обеспечивает заданной производительности.

Этап 3. Выявление ФП

3.1.Выбор изменяемого объекта (ИО). Заготовку изменять нельзя. Будем изменять шлифовальный станок.

3.2.Формулировка идеального решения (ИР): шлифовальный станок сам обеспечивает повышение производительности, сохраняя малую шероховатость обработанной поверхности.

3.3.Выявление дефектного элемента (ДЭ) ИО, не справляющегося с требованиями ИР. ДЭ - механизм подачи шлифовального станка.

3.4.Формулировка противоположных физических состояний (ФС) ДЭ для выполнения требований ИР:

а)для повышения производительности механизм подачи должен осуществлять большую скорость подачи;

б) для сохранения малой шероховатости механизм подачи должен осуществлять малую скорость подачи.

3.5.Формултровка ФП

а) полная: подача должна быть большой и малой;

б)краткая: подача должна быть и не должна быть.

Задача 2.

Этап 1.Выявление АП

1.1.ГН - прижоги на обработанной поверхности вследствие высокой температуры шлифования;

1.2.П: требуется устранить прижоги на обработанной поверхности путём снижения температуры шлифования;

1.3. АП: При шлифовании на обработанной поверхности вследствие высокой температуры шлифования образуются прижоги. Требуется предотвратить образование прижогов путём снижения температуры шлифования.

Этап 2.Выявление ТП.

2.1. Изделие - заготовка, инструмент - ШК.

2.2. Периодически прерываем процесс, давая заготовке возможность остыть. Температура снижается, но при этом снижается и производительность. Следовательно ПС ТС - высокая производительность

2.3. ТП : ШК обеспечивает высокую производительность шлифования, но при этом на поверхности заготовки вследствие высокой температуры образуются прижоги.

Этап 3. Выявление ФП

3.1. ИО - ШК

3.2. ИР: ШК сам обеспечивает снижение температуры шлифования, сохраняя высокую производительность.

3.3 ДЭ - рабочая поверхность ШК

3.4.Для снижения температуры рабочая поверхность ШК должна находиться в контакте кратковременно; для сохранения высокой производительности рабочая поверхность ШК должна находиться в контакте продолжительное время.

3.5. ФП: а) рабочая поверхность ШК должна находиться в контакте с заготовкой кратковременно и в течение продолжительного времени.

б) рабочая поверхность ШК должна и не должна находиться в контакте с заготовкой; или: рабочая поверхность должна быть и не должна быть.

Задача 3.

Этап 1. Выявление АП

1.1. ГН - из-за воздушной подушки вокруг ШК СОЖ не попадает в зону шлифования.

1.2.Требуется обеспечить попадание СОЖ в зону шлифования.

1.3.АП: СОЖ не попадает в зону шлифования. Требуется обеспечить попадание СОЖ в зону шлифования.

Этап 2. Выявление ТП

2.1.Изделие - зона шлифования, инструмент - СОЖ.

2.2. Чтобы обеспечить попадание СОЖ в зону шлифования, увеличим давление СОЖ. Но при этом резко возрастает расход СОЖ. ПС - малый расход СОЖ.

2.3.ТП: при шлифовании обеспечивается малый расход СОЖ, но СОЖ не попадпет в зону шлифования.

Этап 3. Выявление ФП

3.1.ИО - СОЖ

3.2.ИР: СОЖ сама обеспечивает попадание в зону шлифования, сохраняя малый расход СОЖ.

3.3. ДЭ - струя СОЖ.

3.4. Для обеспечения попадания СОЖ в зону шлифования струя СОЖ должна подаваться под большим давлением; для сохранения малого расхода СОЖ струя должна подаваться под малым давлением.

ФП: а) Давление струи должно быть большим и малым;

б) Струя СОЖ должна быть и не должна быть.

4. Разрешение противоречий с помощью методов ТТ

Задача раздела - путем разрешения заданной операции присущих АП, ТП и ФП дать предложения по устранению её недостатков.

Полное или частичное разрешение противоречия состоит в полном или частичном выполнении обоих противоположных требований ФП. Из наиболее часто используемых методов разрешения противоречий используем три: метод разделения противоречий (РП), метод вепольного анализа (ВА) и метод эмпирических правил (ЭП).

Имеем недостаток: прижоги на обработанной поверхности вследствие высокой температуры шлифования. Выше (разд. 3, задача 2) для данной ситуации были сформулированы противоречия:

ТП: ШК обеспечивает высокую производительность шлифования, но при этом на поверхности детали вследствие высокой температуры образуются прижоги.

ФП: а) рабочая поверхность ШК должна находится в контакте с заготовкой кратковременно и в течение продолжительного времени;

б) рабочая поверхность ШК должна и не должна находится в контакте с заготовкой; рабочая поверхность должна и не должна быть.

Для разрешения противоречия применим прием РПВ4 «Прерывистость»: заменим непрерывный контакт ШК с заготовкой прерывистым.

Теоретические основы прерывистого шлифования можно свести к следующему [17]: температура при шлифование устанавливается не мгновенно. Она быстро возрастает от какой-то нулевой начальной температуры до какого-то установившегося значения Ту (рис. 4.1, кривая 1).

Рис. 4.1 Изменение температуры шлифования

При этом время Ту выхода на установившийся температурный режим составляет сотые и тысячные доли секунды. Если прервать процесс в какой-то момент Т1 < Ту, которому соответствует температура Т1 , затем дать возможность шлифуемому участку охладится, потом снова шлифовать в течение времени Т1 и т.д., можно добиться , что температура шлифования не превзойдет кого-то критического значения Т0 , при котором в данном материале образуются прижоги (кривая 2).

Реализовать данную схему можно, сделав рабочую поверхность круга прерывистой, выполнив на ней пазы (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Форма шлифовального круга

4.1.2 Правило РПП

Сущность правила РПП: выполняются оба требования ФП, но применительно к разным частям ОТ. Правило РПП включает приемы:

РПП1 «Дробление»: разделить ОТ на части с одинаковыми функциями*;

РПП2 «Деление»: разделить ОТ на части с разными функциями*;

РПП3 «Оптимизация»: разделить ОТ на части так, чтобы каждая часть находилась в оптимальных условиях;

РПП4 «Противоположность»: разделить ОТ на части со свойствами, противоположными свойствам ОТ в целом.

Имеем недостаток: вследствие того, что вокруг быстро вращающегося ШК образуется воздушная подушка, СОЖ не попадает в зону шлифования. Анализируя ситуацию по АВП (задача 3, разд. 3), мы выявили следующее ФП: давление струи СОЖ должно быть большим и малым.

Для разрешения противоречия применим приём РПП2 «Деление»: разделим струю СОЖ на части с разными функциями. Струя должна выполнять две функции: охлаждать зону резанья (основная функция) и пробивать воздушную подушку вокруг круга (вспомогательная функция). Предполагается одну струю - очень тонкую - под большим давлением подавать на круг перед зоной обработки (рис 4.3).

Эта струя будет рассекать воздушную подушку, в результате чего против зоны обработки будет создаваться зона разрежения. В эту зону поливом будем подавать вторую, основную струю СОЖ. СОЖ будет попадать непосредственно в зону обработки и обеспечивать теплоотвод из зоны резанья.

Рис. 4.3 Схема подачи СОЖ

4.2 Совершенствование операции с помощью ВА

Сущность ВА состоит в том, что ТС представляют в виде совокупности взаимосвязанных веществ (В) и полей (П). ТС из трёх элементов - двух веществ и поля их взаимодействия, так называемый веполь - минимальная работоспособная ТС. ВА включает три правила: достройки веполя (ВАД), смены элементов веполя (ВАС) и надстройки веполя (ВАН).

4.2.1 Правило ВАД

Сущность правила ВАД: если ТС состоит из одного или двух элементов, её достраивают до веполя.

Правило ВАД включает приёмы:

ВАД1 «Добавки»: для обнаружения ОТ или управления его свойствами в ОТ вводят добавку В2, которая создаёт поле П;

ВАД2 «Ограниченные добавки»: если введение добавок запрещено, то:

вместо внутренней добавки вводят наружную;

добавку вводят на короткое время;

вводят в малых дозах особоактивную добавку;

добавку вводят в виде химического соединения, из которого она выделяется при работе;

ВАД3 «Максимальный режим»: если невозможно обеспечить оптимальный режим, используют максимальный режим, а избыток убирают.

Один из недостатков шлифовальной операции - большие силы резанья. Силы резанья возникают вследствие деформации обрабатываемого материала в зоне резанья каждым отдельным зерном, а также вследствие трения в контакте зёрен и связки с заготовкой.

Уменьшить силу деформации можно, если применить для заготовки менее прочный материал. Но этого делать нельзя, т.к. прочность материала обусловлена требованиями к работоспособности детали.

Имеем ТП: материал заготовки обеспечивает нормальную работоспособность детали, но его высокая прочность ведет к возникновению большой силы деформации.

ИР: заготовка сама обеспечивает снижение силы деформации, сохраняя работоспособность детали.

ДЭ - материал заготовки.

ФС: материал заготовки должен быть непрочным, чтобы обеспечить снижение силы деформации, и должен быть прочным, чтобы обеспечить работоспособность детали

ФП: материал заготовки должен быть прочным и непрочным.

Для разрешения противоречия применим правило ВАД1 «Добавки». Вепольная схема задачи будет иметь вид:

~ В1 В2 > П > В1

где В1 - заготовка; В2 - вещество, которое надо ввести; П - поле, которое образуется при введении В2, обеспечивающее снижение силы деформации.

Предлагается в качестве В2 ввести поверхностно-активное вещество (ПАВ), ослабляющее поверхностное натяжение обрабатываемого материала и снижающее его прочность [15]. Поскольку каждое ПАВ действует только на определенные вещества и только в определенном диапазоне температур, нам необходимо подобрать такое вещество, которое было бы активно по отношению к стали Р6М5 при температуре 500…800°С. Таким веществом, например, является триэтаноламин [18]. Добавление этого ПАВ в СОЖ снижает усилия шлифования на 10…15%.

Однако триэтаноламин, как и большинство ПАВ обладает высокой токсичностью. Попадая на кожу рук, он вызывает поражение кожи, а пары СОЖ с ПАВ могут привести к поражению дыхательных путей. Имеем ФП: СОЖ должна содержать ПАВ, чтобы обеспечить снижение сил резанья, и не должна содержать ПАВ, чтобы предотвратить поражение кожи и дыхательных путей.

Воспользуемся приемом ВАД2 «Ограниченные добавки», а именно: ввести в малых дозах особо активную добавку. Вепольная схема задачи та же , что и в предыдущем случае. Исследования показали, что если содержание триэтаноламина в СОЖ составляет 0,1…0,5%, то в такой концентрации он не является опасным, но сохраняет свои поверхностно-активные свойства. Так, если концентрат СОЖ (так называемый эмульсол) содержит 3% триэтаноламина, а эмульсия содержит 5% эмульсола, то содержание ПАВ в СОЖ составляет 0,05•0,03=0,00015=0,15%

4.2.2 Правило ВАС

Сущность правила ВАС: если вепольная ТС неработоспособна, меняют один из её элементов.

Правило ВАС включает приёмы:

ВАС1 «Изменение»: элемент ТС изменяют, делая его более идеальным, динамичным, дробным, управляемым и т.п.

ВАС2 «Замена»: элемент ТС заменяют более идеальным, динамичным, дробным, управляемым и т.п.

Один из недостатков шлифовальной операции - быстрая засаливаемость ШК, что мы отметили в разд. 1.2. Для устранения засаливания ШК приходиться править, что удорожает операцию.

Имеем ТП: рабочая поверхность ШК не засалена, но частая правка его удорожает операцию.

ДЭ - рабочая поверхность ШК.

ФС: рабочую поверхность необходимо подвергать правке, чтобы устранить засаливание, и не следует подвергать правке, чтобы не удорожать операцию.

ФП: правка должна быть и не должна быть.

Для разрешения противоречия воспользуемся приемом ВАН1 «Видоизмененное вещество». Вепольная схема задачи:

В2>П ~ В1 В2 > В2' > П > В1

где В2' - видоизмененное вещество В2.

Предлагается в качестве В2' ввести в контакт абразивный порошок - видоизмененный ШК. Порошок подают в зону шлифования со струей СОЖ, что препятствует засаливанию рабочей поверхности ШК.

4.3 Совершенствование операции с помощью ЭП

Сущность метода ЭП состоит в использовании набора выработанных практикой правил и приемов решения ТЗ определенных типов, объединенных общностью ФП для задач данного типа.

Наиболее распространенные ЭП:

1) Объединение-разделение (ЭПО): ОТ необходимо объединить в более крупные ОТ или разделить на более мелкие.

ЭПО1 «Объединение объектов»: объединить однородные ОТ в один ОТ*.

ЭПО2 «Объединение функций»: сделать ОТ способным выполнять функции других объектов*.

ЭПО3 «Матрешка»: разметить ОТ внутри другого ОТ*.

2) Упругость (ЭПУ): ОТ должен содержать упругий элемент.

ЭПУ1 «Упругий элемент»: использовать упругие свойства элемента, заменить жесткий элемент упругим, ввести дополнительно упругий элемент.

ЭПУ2 «Надувной элемент»: использовать надувные и гидронаполняемые элементы, воздушную и гидравлическую подушки.

3) Наоборот (ЭПН): условия задачи следует изменить на противоположные.

ЭПН1 «Противоположное положение»: перевернуть ОТ, наклонить, положить на бок;

ЭПН2 «Противоположное действие»: переменить действие на обратное, сделать движущийся элемент неподвижным, а неподвижный движущимся, изменить направление движения;

4) Криволинейность (ЭПК): ОТ или его элементы должны иметь криволинейную форму.

ЭПК1 «Криволинейный элемент»: перейти от прямолинейных элементов к криволинейным, от равномерной кривизны к неравномерной;

ЭПК2 «Вращение»: перейти от поступательного движения к вращательному*;

ЭПК3 «Качение»: заменить скольжение качением.

5) Динамичность (ЭПД): заменить статическую ТС динамической*.

ЭПД1 «Подвижность»: сделать неподвижное ОТ подвижной, увеличить число степеней свободы*(КВР);

ЭПД2 «Адаптивность»: в процессе работы изменять характеристики ОТ, приближая их к оптимальным;

6) Подобие (ЭПП): использовать копию.

ЭПП1 «Копия объекта»: использовать вместо ОТ его копию.

ЭПП2 «Природный аналог»: выполнить ОТ аналогичным природному аналогу.

7) Вред в пользу (ЭПВ): использовать недостатки ОТ для получения полезного результата.

ЭПВ 1 «Использование»: использовать вредный фактор для получения положительного эффекта;

ЭПВ 2 «Усиление»: усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным;

ЭПВ 3 «Сложение»: устранить вредный фактор путем сложения с другим вредным фактором;

ЭПВ 4 «Дешевая недолговечность»: заменить дорогой ОТ набором дешевых, поступившись долговечностью;

ЭПВ 5 «Отходы»: использовать отходы вещества или энергии.

8) Состояние (ЭПС): изменить состояние материала ОТ.

ЭПС1 «Агрегатное состояние»: изменить агрегатное состояние ОТ - жидкое на твердое, газообразное и т.п.*;

ЭПС2 «Консистенция»: изменить концентрацию или консистенцию вещества, применить пасту, порошок, пену, гель;

ЭПС3 «Пористость»: заменить сплошное вещество пористым, заполнить поры веществом с требуемыми свойствами.

Как было отмечено в разд. 1.2, одним из главных недостатков шлифовальной операции является низкая производительность вследствие недостаточной концентрации переходов. В разд. 2.4. предложено маятниковую схему шлифования заменить глубинной, что приводит к сокращению основного времени при обработке передней поверхности 1 соответственно на 66%.

Можно попытаться сократить основное время, применив прием ЭПН2 «Противоположное действие». Заменим продольную подачу поперечной. Шлифовальный круг при этом мы выберем значительно шире, чтобы он мог сразу обрабатывать всю поверхность, а также он должен иметь угловую поверхность с углом 5 градусов (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Шлифование с поперечной подачей

При шлифовании с поперечной подачей время обработки ф0', мин, определяется выражением (1.1). Составляющие этого выражения изменятся, по сравнению с выражением (1.2):

,

где Z - припуск на обработку, мм;

lн - недовод круга, мм;

S'м - скорость поперечной подачи, мм/мин.

Сравнивая выражения (1.2) видим, что при S'м << Sм будем иметь ф0'< ф0.

Здесь возникает еще одна проблема: для обеспечения высокой производительности необходимо, чтобы поперечная подача была достаточно большой, однако, при большой подаче не обеспечивается заданная точность и шероховатость обработки. Поэтому в конце рабочего цикла выполняют выхаживание - шлифование без поперечной подачи (SM=0) в течении времени фвых, мин. Во время выхаживания съем материала шлифовальным кругом осуществляется за счет сил упругого отжатия в контакте круга с заготовкой. Схема такого цикла шлифования приведена на рис. 4.6, а.

Рис. 4.6 Циклы шлифования

Время цикла Тц1, мин, определяется суммой:

Тц1=ф1+фвых1

Время цикла можно сократить, если воспользоваться инверсией приема ЭПО1: разделим первую часть цикла шлифования на два периода, которые выполняются с разными подачами: Sм22<Sм21, а Sм21>Sм1. Можно назвать черновой подачей Sм21, а Sм22 чистовой подачей (рис. 4.6,б), фвых2<фвых1, Тц2<Тц1, т.е. сокращается и время обработки с подачей, и время выхаживания, а в итоге - сокращается цикл обработки. Еще заметнее будет сокращение цикла, если разделить операцию на большое число составляющих (рис. 4.6,в). Наконец, применив прием ЭПК1 «Криволинейность», будем плавно уменьшать подачу Sм до нулевой(рис. 4.6,г), что позволит еще более сократить цикл шлифования.

Мы уже отмечали такой недостаток шлифования как засаливание рабочей поверхности ШК. Для борьбы с этим явлением воспользуемся приемом ЭПП2 «Природный аналог». В природе есть такое явление - кавитация. Это образование в жидкости пузырьков газа или пара. Такие пузырьки образуются под воздействием на жидкость каких-либо внешних факторов, например, механических. Наталкиваясь на какую либо преграду, пузырьки всхлопываются, создавая микровзрывы. Эти микровзрывы разрушают поверхность преграды. В природе действие кавитации мы можем наблюдать при действии морских или речных волн на сооружения - плотины, набережные, дамбы, опоры мостов. Именно в результате огромного числа микровзрывов пузырьков воздуха разрушается поверхность этих сооружений. Используем явление кавитации для борьбы с засаливанием поверхности ШК. Воздействуем на подаваемую в зону шлифования СОЖ УЗ - колебаниями. Возникающее под действием колебаний огромное число пузырьков при всхлопывании будут очищать очищать рабочую поверхность ШК от продуктов засаливания [11].

5. Результаты усовершенствования операции

Перечень усовершенствований шлифовальной операции и эффект от применения сводим в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Результаты усовершенствования шлифовальной операции.

Параметр	По базовому варианту	Метод, правило, прием	По проектному варианту	Результат
1	2	3	4	5
Форма шлифовального круга	С коническим профилем	ЭПН2 «Противоположное действие»	Угловой	Шлифование с вертикальной поперечной подачей
Диаметр круга	340	КВ, вопрос1	450	Увеличение скорости шлифования и срока службы круга
Ширина круга	16	ЭПН2 «Противоположное действие»	22	Одновременное шлифование всей поверхности
Форма рабочей поверхности	Сплошная	РПВ4 «Прерывистость»	Прерывистая	Снижение температуры контакта
Форма пазов на рабочей поверхности	-	РПП4 «Противоположность»	Наклонные	Устранение вибраций
Абразивный материал	24А	КВ, вопрос 5	91А	Повышение режущей способности и уменьшение износа
Связка шлифовального круга	К5	КВ, вопрос 5	К7	Повышение производительности, снижение температуры, снижение удельного расхода
Схема шлифования	С продольной подачей	ЭПН2 «Противоположное движение»	С поперечной подачей	Повышение производительности
Регулирование подачи в процессе цикла шлифования	Ступенчатое	ЭПК1 «Криволинейный элемент»	Бесступенчатое по параболическому закону	Уменьшение цикла шлифования
Состав переходов	Последовательное шлифование пов. 1	ЭПО1 «Объединение объектов»	Одновременное шлифование пов. 1	Повышение производительности
Состав СОЖ	Не содержит ПАВ		Содержит ПАВ	Уменьшение силы резанья
Подача СОЖ	Без давления, одной струей	РПП2 «Деление»	Разделенной струей	Попадание СОЖ в зону шлифования
Обработка СОЖ	Не обработана	ЭПП2 «Пригодный аналог	Обработка ультразвуком	Повышение стойкости круга
Очистка круга	-	ВА, решение 5	Гидроабразивная	Повышение стойкости круга

5.1 Описание усовершенствованной операции

Операция 055 ТП обработки передней поверхности чашечного долбяка включает выполняется в один переход методом врезной подачи круга. Заготовка детали - штамповка из быстрорежущей стали Р6М5 прошла токарную обработку и термообработку до твердости HRC=64. Обрабатываемая поверхность 1 перед данной операцией имеют точность 8 квалитет и шероховатость Ra=5 мкм. Технологические базы - поверхность 10 и торец 4.

Режущий инструмент - шлифовальный круг формы УП 450Ч22Ч127 характеристики 91А25СМ18К7 по ГОСТ 2424-75. На конических рабочих поверхностях круга выполнены пазы, расположенные по винтовой линии с перекрытием. Класс точности круга - А по ГОСТ 2424-75. На торцах круга наклеены металлические упрочняющие диски диаметром Ш500 мм. Стойкость круга между правками - 50 деталей. Правку круга производят профильным алмазным роликом из синтетических алмазов на металлической основе.

Заготовку устанавливают на оправку и приводят в движение приводом стола.

Оборудование - круглошлифовальный полуавтомат модели 3А11OB. Харьковского станкостроительного завода [8], предназначенный для обработки чашечных долбяков методом поперечной подачи широким шлифовальным кругом. Габариты обрабатываемой заготовки Ш90Ч30, предельные размеры шлифуемой поверхности 20 мм. Станок имеет модернизированную шлифовальную бабку с частотой вращения шпинделя 1950 об/мин, что при круге Ш450 соответствует скорости круга 46 м/с. Частота вращения шпинделя заготовки 100…1000 об/мин, регулирование бесступенчатое. Мощность главного привода N=2,2 кВт. Станок снабжен прибором активного контроля обработки, но может работать и от жесткого упора. Станок содержит гидрофицированное правящее устройство.

Припуск на обработку составляет 0,5 мм. Размеры обработки 20мм. Точность диаметральных размеров 8 квалитет (IT=0,022 для пов. 1). Шероховатость пов. 1 Ra=0,25 мкм.

Охлаждающая жидкость - 3%-ный водный раствор эмульсии. Эмульсия содержит 1,5% поверхностно-активного вещества - триэтиламина. Устройство для подачи СОЖ обеспечивает ее разделение на две струи. Одна струя подается через щелевое сопло под высоким давлением и отсекает от зоны обработки воздушный поток от вращающегося круга. Другая, основная струя подается поливом в зону обработки. СОЖ проходит через активизирующую ультразвуковую установку и холодильный аппарат. Ультразвуковые колебания накладываются также на шлифовальный круг.

Литература

шлифовальная операция обработка поверхность

1. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.: Советское радио. 1977. 220 с.

2. Гордеев А.В. Выбор характеристик абразивного инструмента при обработке конструкционных материалов. Экспресс-информация «Технология автомобилестроения» №5. Тольятти: филиал НИИНавтопрома, 1977, 46 с.

3. Гордеев А.В. Исследование плоского торцевого шлифования алмазными кругами с прерывистой рабочей поверхностью: Автореферат канд. Дисс. - Куйбышев, КПТИ, 1973. 26.

4. Гордеев А.В. Методы решения изобретательских задач в курсовых и дипломных проектах: Учебн. пособие. - Куйбышев: КуАИ, 1988. 73 с.

5. Гордеев А.В. Прогрессивная технология абразивной обработки в автомобилестроении: Обзорная информ. Филиал ЦНИИТЭИавтопрома. - Тольятти, 1987. 66 с.

6. Гордеев А.В. Пути совершенствования станков, инструментов и методов обработки: Метод. указания. - Тольятти: ТолПИ, 1992. 30 с.

7. Гордеев А.В. Расчет и проектирование приспособлений в дипломных проектах: Метод. указания. - Тольятти: ТолПИ, 1992. 38 с.

8. Дьячков В.Б., Кабатов Н.Ф., Носинов М.У. Специальные металлорежущие станки общемашиностроительного применения, - М., Машиностроение, 1983. 288 с.

9. Гордеев А.В., Бабиков В.П., Иотов В.В. Использование прогрессивного абразивного инструмента в автомобилестроении: Обзор. Филиал НИИавтопрома. - Тольятти, 1985. 52 с.

10. Гордеев А.В., Малышев В.И., Седыкин Е.Я. Прогрессивные методы плавки и балансировки шлифовальных кругов в автомобилестроении: Обзорная информ. Филиал ЦНИИТЭИавтопрома. - Тольятти, 1988. 63 с.

11. Левин Б.М., Малышев В.И. Интенсификация процесса шлифования с применением ультразвуковой энергии: Обзорная информ. Филиал ЦНИИТЭИавтосельхозмаша. - Тольятти, 1990. 54 с.

12. Разников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

13. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т.1/Под ред. Косиловой А.Г. - М.: Машиностроение, 1985. 656 с.

14. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т.2/Под ред. Косиловой А.Г. - М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

15. Тальнов Ю.Н. Исследование процесса сверления труднообрабатываемых материалов с применением жидкометаллических сред: Автореф. канд. дисс. - Куйбышев: КПТИ, 1975. 38 с.

16. Филимонов Л.Н. Высокоскоростное шлифование. - Л.: Машиностроение, 1979. 248 с.

17. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования. - М.: Машиностроение, 1985. 176 с.

1. Размещено на www.allbest.ru