Совершенствование и разработка конкурентоспособных технологий, обеспечивающих повышение качества изделий машиностроения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНКУРЕНТОСПОСОБНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

А.Г. Суслов

Аннотация

Приводятся методология и примеры совершенствования и разработки новых конкурентоспособных технологий, исходя из единства процессов изготовления и эксплуатации изделий машиностроения.

Основная часть

Практически все методы обработки основаны на механическом, физическом, химическом или их совместном воздействиях на обрабатываемую поверхность при определенной кинематике перемещений инструмента и заготовки (рисунок) [1]. В то же время любая изготовленная деталь имеет конкретное функциональное назначение. Наряду с первоначальным позиционированием детали в сборочной единице, определяемым точностью их размеров, в процессе эксплуатации испытывают новые механическое, физическое или химическое воздействия при соответствующей кинематике движений. Это приводит к изменению взаимного положения собранных деталей, потере точности, а иногда и к разрушению машин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Все это свидетельствует об идентичности процессов воздействия на деталь как при ее изготовлении, так и в процессе эксплуатации. Следовательно, необходимы целенаправленные кинематическое, силовое, температурное и химическое воздействия на детали при изготовлении с учетом дальнейшего функционального назначения.

Подтверждением этой концепции являются поверхности трения деталей, финишную обработку которых можно рассматривать как процесс приработки, обеспечивающий их равновесное состояние [2].

При эксплуатации отдельные участки одной и той же рабочей поверхности подвергаются различным механическому, физическому и химическому воздействиям, что сказывается на их долговечности. Это относится к:

- цилиндрическим, сферическим и криволинейным поверхностям трения (подшипники скольжения, чашки дифференциала заднего моста автомобиля, кулачки распредвалов, рабочие поверхности зубьев и др.);

- цилиндрам двигателей, цилиндрическим и коническим подшипникам качения;

- рабочим поверхностям катания железнодорожных рельсов и колес;

- резьбовым соединениям;

- рабочим поверхностям режущих и деформирующих инструментов и т.д.

Большинство деталей машин, их соединений и инструментов работают при изменяющихся условиях эксплуатации (скорости, нагрузки, температуры). Рабочие поверхности трения этих деталей и инструментов должны обладать быстрой прирабатываемостью. Естественно, что для повышения долговечности таких деталей, соединений и инструментов необходимо при их изготовлении обеспечивать различные эксплуатационные показатели, а в большинстве случаев - создавать новые поверхностные слои, обладающие быстрой прирабатываемостью. Все это требует целенаправленного системного совершенствования существующих и разработки новых методов обработки деталей машин с учетом их функционального назначения.

Совершенствование существующих методов обработки, как правило, осуществляется случайно, а иногда - исходя из поставленной задачи. Так, придание дополнительно осциллирующего движения рабочему шарику при накатывании позволило получить новый метод обработки - вибронакатывание. Пропускание тока через зону контакта «рабочий ролик-заготовка» при накатывании привело к открытию электромеханической обработки. Затруднения с механической обработкой резанием труднообрабатываемых материалов, а также необходимость повышения производительности труда привели к появлению комбинированных методов обработки.

Совершенствование существующих технологий обработки деталей зачастую осуществляется с целью повышения их долговечности. Так, цилиндрические и конические ролики подшипников качения для предотвращения их разрушения по краям необходимо обрабатывать с эксплуатационным распределением давления вдоль образующей. Это обеспечивается шлифованием роликов бесконечной лентой. В результате такого шлифования они приобретают бочкообразную форму, которая при эксплуатации дает почти равномерное распределение давления вдоль образующей ролика. Правильный расчет условий обработки (ширина и натяжение ленты, радиальная сила) позволяет получить форму ролика, обеспечивающую практически равномерное распределение давления вдоль образующей при его работе. Аналогично обстоит дело и с подшипниками скольжения, но в данном случае неравномерность давления возникает как вдоль образующей, так и по дуге контакта. Избежать этого можно с помощью отделочно-упрочняющей обработки поверхностного пластического деформирования поверхности трения подшипника при закономерно изменяющемся рабочем давлении.

Для обеспечения равномерности износа отдельных участков поверхностей трения чашек дифференциала и кулачков распредвалов можно применять электромеханическую обработку (ЭМО) с закономерно изменяющейся силой тока (1). Это позволяет получать поверхности трения с закономерно изменяющейся степенью упрочнения, обеспечивающей равномерный износ I при различных давлениях и скоростях [3].

I() = 176 + 3,6HV_исх U() + 176 - 5,1Р, (1)

обработка заготовка деталь распредвал

где U() - степень упрочнения поверхностного слоя; HV_исх - исходная твердость обрабатываемой заготовки; - скорость обработки, м/мин; Р - рабочее усилие при ЭМО, Н.

Из полученного уравнения следует, что воздействовать на степень упрочнения можно не только через силу тока, но и через скорость и давление, то есть те же факторы, которые при работе вызывают различную интенсивность износа. Это еще раз подтверждает правильность выдвинутой гипотезы о единстве процессов силового, температурного и других воздействий на рабочие поверхности деталей как при их изготовлении, так и при эксплуатации.

Быстрая прирабатываемость рабочих поверхностей деталей обеспечивается, если поверхности имеют чередующиеся мягкие и твердые участки. Получить такую поверхность можно, если току придать импульсный характер. Так появилась импульсная ЭМО.

Отдельные участки рабочих поверхностей зубьев, работающие при различных условиях, должны обеспечивать совершенно разные эксплуатационные свойства. Так, у основания зубьев должно обеспечиваться сопротивление усталости, на участке у делительной окружности - контактная прочность, на остальных участках боковой поверхности - износостойкость. Это особенно характерно для силовых зубчатых передач. Очевидно, что принятые технологии обработки боковых поверхностей зубьев (фрезерование и шлифование) не могут обеспечить выполнение таких условий. Для этого может быть использовано целенаправленное изменение силового и температурного воздействий на обрабатываемую поверхность зуба, что реализуется через комбинированную обработку ППД и ЭМО, которая требует разработки как инструмента, так и оборудования.

Анализ показал, что цилиндров двигателей имеют наибольший износ в верхней части. Это, очевидно, объясняется повышенными температурами в данной части цилиндров при их эксплуатации, что при недостаточной маслоемкости поверхности может приводить к явлениям схватывания, особенно в начальный период приработки. Для избежания этого вредного явления на цилиндрах двигателей целесообразно формировать вибронакатыванием маслоемкие карманы. Величина таких карманов по длине цилиндра должна быть различной, что обеспечивается закономерно изменяющимися режимами обработки: частотой колебаний и усилием рабочего шарика вибронакатного устройства.

Обработка внутренних резьб в алюминиево-кремниевых сплавах связана со значительными трудностями. Резание затруднено вследствие вязких свойств материала, а пластическое деформирование - его хрупкости. Все это привело к необходимости комбинированной обработки и разработке специального инструмента, обеспечивающего благоприятные условия при резании и пластическом деформировании, что позволило значительно повысить производительность обработки и качество резьбы.

Поверхности вырубных пуансонов, как и других инструментов, работают в различных условиях. Основную нагрузку несет режущая кромка, которая должна обладать повышенной поверхностной динамической прочностью и износостойкостью. Для создания благоприятных условий резания и достаточной поверхностной динамической прочности режущая кромка вырубных пуансонов должна иметь оптимальный радиус скругления, что обеспечивается его виброобработкой. Для повышения поверхностной динамической прочности и износостойкости вырубных пуансонов их рабочая кромка подвергается лазерному легированию соответствующими материалами.

При изучении взаимодействия рабочей части режущего инструмента с обрабатываемой деталью становится очевидной возможность частичного или полного перехода от процесса резания к пластическому деформированию. Это в значительной мере расширяет перспективы совершенствования обычных методов механической обработки.

Научно обоснованное определение требуемых величин воздействующих факторов или их соответствующего изменения позволило разработать конкурентоспособные технологии производства, эксплуатации и ремонта деталей, исходя из их функционального назначения.

Новизна конкурентоспособных методов обработки определяется всеми компонентами технологической системы: станком, технологической оснасткой, процессом формообразования поверхностного слоя детали. Каждый из компонентов может иметь собственную новизну, или же новизна системы в целом создается вследствие определенного нетрадиционного сочетания известных компонентов.

При проектировании новых конкурентоспособных методов обработки и технологических процессов необходимо использовать как накопленный опыт, так и новый системный подход, базирующийся на единстве технологий проектирования, производства и эксплуатации изделий машиностроения. Так, накопленный опыт по механической, физической и химической обработке позволил создавать комбинированные методы обработки: резание - ППД; ППД - резание; ППД - резание - ППД; резание в химических средах; химико-механическое полирование; механическая обработка с наложением ультразвука и т.д. Необходимость строгого управления силой и количеством ударов металлической дроби на единицу площади провела к созданию нового метода обработки инструментом центробежно-ударного действия.

Создание новых методов обработки является творческой задачей, формализация которой возможна лишь в редких частных случаях.

Предлагаемая методология разработки новых методов обработки базируется на концепции нового научного подхода к решению этой проблемы, основанной на единстве технологий изготовления и эксплуатации деталей машин и их соединений.

Так, для повышения долговечности пар трения необходимо как только возможно уменьшить их приработку в процессе эксплуатации. Этого добиваются финишной обработкой поверхностей трения, моделирующей ускоренный процесс их приработки. В соответствии с разработанной теорией трения и износа, процесс приработки представляет собой микрорезание и пластические деформации микронеровностей поверхностей трения. Обеспечить этот процесс можно на стадии финишной обработки поверхности специальным инструментом с моделированными микронеровностями. Рабочая поверхность инструмента должна проскальзывать по поверхности трения обрабатываемой детали, вызывая микрорезание и микродеформирование ее шероховатости. В качестве такого инструмента могут быть использованы притирочный абразивный брусок (с определенной зернистостью) или иглофреза (с определенным диаметром рабочих иголок). Усилия прижатия и скорость проскальзывания инструмента определяются условиями эксплуатации обрабатываемой поверхности трения.

В зубчатых передачах в процессе приработки изменяется форма эвольвентной поверхности, увеличивается боковой зазор, что ведет к росту уровня шума, изменению линии контакта и разрушению зубьев. Избежать этого можно, если в процессе изготовления и приработки зубчатых передач смоделировать данные явления: при зубонарезании и шлифовке зубьев - обеспечить их эксплуатационный профиль, а при обкатке - равновесное состояние качества поверхности. Для этого должны быть скорректированы рабочие профили фрезы и шлифовального круга, что, в свою очередь, говорит о необходимости учета при проектировании инструмента функционального назначения обрабатываемой поверхности.

Для окончательной обработки боковых поверхностей зубчатых колес может быть использована обкатка или специальная технология финишной обработки, обеспечивающая процесс микрорезания и пластические деформации микронеровностей. Финишная обработка осуществляется алмазным или обычным шевингованием.

С помощью теории пластичности и контактного взаимодействия удалось создать новый метод обработки деталей, позволяющий значительно (в десятки раз) увеличить их поверхность соприкосновения с окружающей средой, что имеет огромное значение при создании теплообменников.

При использовании уравнения пластического оттеснения обрабатываемого материала в зоне резания спроектирован и изготовлен совершенно новый инструмент, который при определенном сочетании свойств обрабатываемого материала и режимов (глубина и подача) позволяет эффективно осуществлять вытеснение материала и создавать оребренную поверхность, имеющую высокую теплообменную способность.

Известно, что тот или иной метод обработки реализуется через выполнение технологических операций, последовательность которых представляет собой технологический процесс изготовления детали.

В условиях жесткой рыночной экономики создание новых технологических процессов диктуется необходимостью повышения качества и снижения себестоимости выпускаемых изделий. Если классическая типовая технология уже не позволяет производить изделие с качеством и себестоимостью, обеспечивающими его конкурентоспособность, то закономерно возникает проблема создания нового технологического процесса, например новой технологии изготовления зубчатых колес с цельнокатанными зубьями.

Экономический эффект от внедрения новых технологических процессов значительно возрастает при принятии предложенной теории единства процессов проектирования, изготовления и эксплуатации.

В процессе эксплуатации железнодорожных рельсов их поперечный профиль в зависимости от участка дороги (повороты, подъемы, подложка, средние температуры и др.) в начальный период работы (процесс приработки) претерпевает значительные изменения, то есть происходит его естественная адаптация к условиям эксплуатации. Однако эксплуатационники железных дорог при ремонте рельсов стремятся вернуть им исходный поперечный профиль, что значительно удорожает ремонт и опять приводит к быстрому и большому их износу в период новой приработки. Все это существенно сокращает долговечность железнодорожных рельсов.

Учитывая данные обстоятельства, целесообразно при ремонте сохранять сформировавшийся поперечный профиль рельсов, убирая при этом вредный дефектный поверхностный слой. Обеспечить это могут так называемые упругие технологии (иглофрезерование, лепестковое шлифование). Вследствие упругих деформаций рабочих элементов инструмента (проволочек и лепестков) при определенном сохранении жесткости они позволяют снимать поверхностный дефектный слой и сохранять сформировавшийся поперечный профиль. Это приводит к необходимости целенаправленной разработки инструмента с определенной упругостью его рабочих элементов.

Для устранения продольной волнистости с высокой производительностью целесообразно применить шлифование брусками с поперечной осцилляцией. Объединить все эти операции - иглофрезерование, шлифование брусками и лепестковыми кругами - в единый технологический процесс текущего ремонта железнодорожных рельсов позволяет специальный рельсообрабатывающий комплекс.

На поворотных участках в результате значительных силового и температурного воздействий реборды колеса на боковые поверхности головки рельса происходит их быстрый износ (практически срезание), что приводит к необходимости быстрой их замены. Для избежания этого вредного явления воздействия сил и температур на боковые поверхности рельсов на данных участках дорог целесообразно из эксплуатации перенести в технологический процесс с увеличением температурного и уменьшением силового воздействий. Это позволяют обеспечить термомеханическая и электромеханическая обработка.

Резьбовые соединения имеют разное функциональное назначение. Кроме того, различные их участки испытывают разные нагрузки по длине: от максимальных (на первых витках) до нулевых (на последних). Поэтому технология изготовления резьбовых соединений требует совершенствования.

Рассмотрим пример. При эксплуатации различных двигателей обнаружен процесс самоотвинчивания шпилек. Это происходит из-за уменьшения первоначального натяга в резьбовом соединении «шпилька-алюминиевый корпус» в результате пластических деформаций резьбы корпуса при действии динамических нагрузок. Избежать такого вредного явления можно раскатыванием резьбовых отверстий в корпусе или созданием так называемых гладкорезьбовых соединений. Для раскатывания резьб необходима целенаправленная разработка инструмента. Сущность гладкорезьбового соединения заключается во вворачивании шпилек в гладкие отверстия. Как в первом, так и во втором случаях в процессе формирования резьбы отверстия происходит пластическое насыщение материала, что предотвращает возможность ее пластических деформаций при эксплуатации. При этом новый технологический процесс создания гладкорезьбовых соединений позволяет осуществлять его на станках с ЧПУ в автоматизированном режиме, так как отпадает необходимость ручного наживления шпилек.

Концепция объединения технологий производства и эксплуатации позволяет переносить некоторые процессы из производства в эксплуатацию. Так, для повышения износостойкости пар трения скольжения в условиях граничного трения зачастую на одну из поверхностей трения при изготовлении наносят мягкую пленку. Взамен этой операции можно при эксплуатации ввести в смазку глицерин и медный порошок. Это позволит сформировать на поверхности трения мягкую антифрикционную пленку, обеспечивающую явление избирательного переноса.

Конструирование направляющих скольжения металлорежущих станков с бронзовыми вставками и введение в смазку глицерина позволяют повысить их износостойкость при эксплуатации в несколько раз.

Таким образом, научное развитие технологии машиностроения свидетельствует о ее готовности решать самые сложные задачи при производстве изделий машиностроения в настоящее время.

Список литературы

1. Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения / А.Г. Суслов, А.М. Дальский. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.

2. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин / А.Г. Суслов. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

3. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов, В.П. Федоров, О.А. Горленко [и др]; под общ. ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2006. 440 с.

Размещено на Allbest.ru