Повышение виброустойчивости суппортной группы токарных станков на основе образования регулярного рельефа поверхности направляющих

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ВИБРОУСТОЙЧИВОСТИ СУППОРТНОЙ ГРУППЫ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ ОБРАЗОВАНИЯ РЕГУЛЯРНОГО РЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ НАПРАВЛЯЮЩИХ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Халимов РУстам Шамильевич

Ульяновск 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Жиганов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кирилин Юрий Васильевич

кандидат технических наук, доцент Малышев Владимир Ильич

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2011 года в 14 ⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.277.03 в первом корпусе Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ) по адресу: г. Ульяновск, ул. Энгельса, 3 (почтовый адрес: 432700, ГСП, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» (УлГТУ).

Автореферат разослан «____» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наукН.И. Веткасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При проектировании, изготовлении и эксплуатации станков все чаще возникает необходимость решения задач, связанных с динамикой процессов механической обработки. В первую очередь это относится к обеспечению условий устойчивого движения инструмента и заготовки, т. е. к уменьшению вибраций и отсутствию «подрывания», «заклинивания» или скачкообразного перемещения узлов станка, что необходимо для получения деталей с минимальными погрешностями размеров, формы и качества их поверхностей. В частности, повышение динамической устойчивости суппортной группы токарного станка позволяет повысить его технологическую надежность, и тем самым обеспечить возможность повышения производительности или улучшить качество изделий.

Одной из важнейших задач в решении проблемы повышения устойчивости перемещения подвижных узлов трения токарного станка является получение упрочненной поверхности направляющих станины с направленным регулярным рельефом (РР).

Большими возможностями улучшения эксплуатационных свойств деталей машин обладает электромеханическая обработка (ЭМО), основанная на механическом воздействии инструмента на заготовку, сопровождающемся локальным нагревом металла электрическим током, в результате которой происходит упрочнение поверхности обрабатываемой заготовки. Однако, эффективность применения ЭМО для получения направленного РР поверхностей направляющих металлорежущих станков с получением карманов для удержания смазки и влияние их на динамику станка до сих пор не рассматривалась.

В связи с вышесказанным, задача разработки способов получения с помощью ЭМО направленного РР на поверхности трения представляется весьма актуальной, поскольку позволит существенно повысить качество деталей, обработанных на металлорежущих станках.

Цель исследований. Повышение динамической устойчивости и эффективности функционирования токарных станков на основе применения разработанных технологических методов и средств создания на направляющих станины РР с карманами для удержания смазки.

Методы исследования. Теоретические исследования выполняли с использованием основных законов и методов классической механики, математики и средств вычислительной техники. Образцы в различных комбинациях пар трения испытывали в лабораторных условиях в соответствии с действующими стандартами и разработанными частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием программ ANSYS, Statistica 6.0, Mathcad 14. Проведено упрочнение направляющих станины металлорежущего станка мод. УТ-16 ПМ.

Научная новизна.

- Разработана комплексная многофункциональная математическая модель перемещения суппортной группы станка по упрочненным с образованием РР поверхности и карманов для удержания смазки направляющим, используемая для определения и повышения виброустойчивости технологической системы токарного станка;

- разработан и запатентован способ образования РР упрочненной поверхности трения, включающий применение нового технологического оснащения для нанесения РР, позволяющего повысить устойчивость при резании и точность перемещения суппортной группы по направляющим при смешанном трении; токарный станок регулярный рельеф

- получены математические модели твердости и глубины упрочненного слоя, шероховатости его поверхности в зависимости от силы тока и скорости перемещения инструмента, предназначенные для определения эффективного режима упрочнения и образования РР поверхности направляющих металлорежущих станков;

- получены регрессионные математические модели коэффициентов трения для различных пар трения в широком диапазоне нагрузок, скоростей перемещения и режимов смазки.

Научная новизна технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2383429 «Многоинструментальная головка для электромеханической обработки плоских поверхностей на станках» и № 2385212 «Способ упрочнения поверхности деталей».

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Реализация способа получения РР обеспечивает уменьшение коэффициента трения в суппортной группе токарных станков в 2 - 3 раза и может применяться при упрочнении поверхностей трения ответственных узлов во всех отраслях машиностроения, как при ремонте, так и при изготовлении новых изделий. Использование предлагаемого способа позволяет повысить эффективность процесса получения РР, а предложенные методики расчета, проектирования и рационализации параметров деталей - снизить материальные и энергетические затраты, повысить стабильность перемещения суппортной группы токарного станка и уменьшить шероховатость обрабатываемых поверхностей заготовок по параметру Ra в два раза.

Получено изображение рельефа различных участков поверхности образцов, подвергнутых ЭМО, при использовании сканирующего зондового микроскопа NanoEducator. Результаты сканирования подтверждают достоверность проведенных исследований и эффективность новой технологии.

Для упрочнения с получением направленного РР направляющих станков по новому способу спроектированы и изготовлены специальный инструмент и другая оснастка. Обеспечена возможность осуществления процесса упрочнения непосредственно на самом станке без разборки его основных узлов.

Новая технология электромеханического упрочнения поверхностей направляющих станин токарных станков с образованием направленного РР и карманов для удержания смазки внедрена в производство ОГОУ СПО «Ульяновский технический колледж» (г. Ульяновск) и ОАО «Криушинский судостроительно - судоремонтный завод» (р.п. Криуши Ульяновской области).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на всероссийских и международных научно-практических конференциях: «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновская ГСХА, 2007 г.), «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса» (Ульяновская ГСХА, 2008 г.), «Актуальные вопросы аграрной науки и образования» (Ульяновская ГСХА, 2008 г.), «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (СпГПУ НПФ “Плазмацентр”, 2008, 2010, 2011 гг.), «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении» (УлГТУ, 2011).

Публикации и патенты. Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе в трех изданиях, указанных в «Перечне ВАК», получены 3 патента на изобретение. Общий объём опубликованных работ составляет 5,43 п.л., из них автору принадлежит 2,4 п.л.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения. Список литературы включает 145 наименований.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1. Комплексная многофункциональная математическая модель перемещения суппортной группы станка по упрочненным с образованием РР поверхности и карманов для удержания смазки направляющим станины. Она включает в себя функциональные зависимости для определения коэффициента трения, аналитические зависимости для определения условной площади контакта упрочненной поверхности с РР в широком диапазоне нагрузок, скоростей перемещения и режимов смазки.

2. Способ образования РР упрочненной поверхности трения и его варианты, включая применение нового технологического оснащения для нанесения РР, позволяющий повысить устойчивость при резании и точность перемещения суппортной группы по направляющим при смешанном трении.

3. Регрессионные математические модели твердости, глубины и шероховатости упрочненного слоя в зависимости от режимов упрочнения - силы тока и скорости перемещения инструмента, позволяющие определять эффективный режим упрочнения и образования РР поверхности направляющих металлорежущих станков.

4. Динамические характеристики несущей системы токарного станка мод. УТ - 16 ПМ, полученные в работе на основе экспериментально-расчетных исследований, а также расчетные значения предельной глубины резания с измененными характеристиками НС станка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований и дана общая характеристика работы.

В первой главе представлен анализ литературной и патентной информации и известных технических решений по теме диссертации, их систематизация и классификация.

Выявлено, что большой вклад в решение проблемы динамики технологических систем механической обработки, как важнейшего раздела научного станковедения, внесли Н.С. Ачеркан, В.А. Кудинов, Л.С. Мурашкин, В.Э. Пуш, Д.Н. Решетов, А.П. Соколовский, М.Е. Эльясберг, R.N. Arnold, H.E. Merritt, H. Opitz, K. Pickenbrinc, J. Tobias. За последующие полвека сложились научные школы и направления, развивающие и дополняющие основополагающие идеи в трудах В.Г. Атапина, В.Л. Вейца, Ю.И. Городецкого, И.Г. Жаркова, Ю.Н. Санкина, Ю.В. Кирилина, В.С. Хомякова и других исследователей.

Установлено, что до сих пор недостаточно изучены процессы трения подвижных стыков «направляющие-суппортная группа», существенно влияющие на динамику станков и качество обработанных деталей.

Показано, что перспективным направлением повышения устойчивости перемещения суппортных групп металлорежущих станков по направляющим скольжения является образование регулярного рельефа на поверхностях трения.

Сформулирована цель исследований и определены задачи, решение которых необходимо для ее достижения:

1. Разработать комплексную многофункциональную математическую модель перемещения суппортной группы по упрочненным направляющим станины, на которых образован РР с карманами для удержания смазки, позволяющую определять и повышать виброустойчивость технологической системы.

2. Разработать конструкцию устройства и технологию нанесения регулярного рельефа на поверхности направляющих металлорежущих станков, обеспечивающие улучшение динамических характеристик подвижного стыка.

3. Провести экспериментальные исследования для обоснования основных параметров технологии электромеханического упрочнения и нанесения РР на поверхности направляющих станин металлорежущих станков. Провести триботехнические исследования различных пар трения, имитирующих работу стыка «направляющие-суппортная группа» (вид материала, режимы нагружения и смазки), и установить количественные взаимосвязи между варьируемыми параметрами, найти рациональные параметры процесса (изменения характеристики трения), определить эффективные технические решения для технологической системы станка.

4. Разработать регрессионные математические модели параметров качества упрочненного поверхностного слоя с РР поверхности направляющих металлорежущих станков и регрессионные математические модели коэффициентов трения для различных пар трения.

5. Выполнить динамические испытания станка и сопоставительные расчеты вариантов его динамической системы при резании для оценки эффективности предложенных технических решений.

Во второй главе рассмотрена математическая модель перемещения суппортной группы по направляющим скольжения, как система уравнений с двумя степенями свободы (рис. 1), с учетом нелинейности силы трения в условиях полужидкостного трения:

(1)

где - масса суппорта, кг; - усилие пружины в начальный момент времени, Н;, - суммарная сила трения в направлении осей X, У соответственно, Н; - сила трения в начальный момент движения, Н; - коэффициент трения; - жесткость стыка, Н/м; - контактная деформация, мм.

Рис. 1 Схема перемещения суппорта по направляющим: m - масса суппорта; с_у - контактная жесткость стыка «направляющие - суппорт»; V_s - скорость движения суппорта

При установившемся движении с постоянной скоростью суммарная сила трения выражается по Ю.Н. Санкину следующим образом:

,(2)

где ; - площадь наименьшей из трущихся поверхностей, м²; - динамическая вязкость смазки, Нс/м²; - средняя высота микронеровностей, мкм; -отношение высоты микронеровностей к их длине; - скорость скольжения, м/мин; - среднее значение минимального зазора между поверхностями трения при , мкм; - всплытие тела в процессе неустановившегося движения, мкм; - статическая податливость, м/Н; - коэффициент жидкостного трения (вязкого сопротивления), Нс/м; - угловой коэффициент наклона статической характеристики трения (рис. 2), Нс/м.

В зависимости (2) выражение в квадратных скобках представили в виде:

,(3)

где N - сила нормального давления, Н; - угол наклона статической скоростной характеристики трения при заданной скорости , град.



Рис. 2 Зависимость силы трения от скорости скольжения (статическая характеристика трения)

Анализ составляющих выражения (3) позволил сформулировать следующие положения: физические параметры , , , которые определяются техническими условиями и рабочими чертежами на станок, могут служить основой для расширения функциональных возможностей создаваемой модели (1); при заданной скорости V установившегося движения характеристика принимается по графику зависимости F = F(V). Однако, рабочие значения , как значения углового коэффициента наклона статической скоростной характеристики трения (см. рис. 2), будут существенно различаться для различных характеристик материалов, качества поверхности и условий смазки трущихся пар. Это дает возможность управлять характеристикой трения Y, а также характеристиками качества поверхности при разработке соответствующей математической модели в виде системы квадратичных уравнений регрессий вида:

(4)

где А₀, A₁, A₂, A₃, A₄, B₀, B₁, B₂, B₃, B₄ - коэффициенты уравнений регрессий; Х₁ - нагрузка, Н; Z₁ - скорость скольжения, м/мин; X₂ - время, мин.

После замены переменных, из соотношений (2) и (3), учитывающих интегральный характер действия масляного клина, и ввода параметра преобразования Лапласа, получили передаточную функцию перемещения суппортной группы по направляющим в следующем виде:

;(5)

;;,(6)

где - инерционная постоянная, с; - постоянная демпфирования, с; - постоянная времени всплытия, с; - коэффициент рассеяния энергии в цепи привода, Нс/м; - коэффициент демпфирования, Нс/м; - первая резонансная частота колебаний, рад.

Эквивалентное демпфирование в зависимости (5) представлено по Ю.Н. Санкину в следующем виде:

;(7)

при этом частота свободных затухающих колебаний:

.(8)

Из выражения (7) следует, что трение уменьшает эквивалентный коэффициент демпфирования на величину , где ; . (9)

Сформулированы положения для разработки регрессионных математических моделей различных пар трения, в которых учитывается падающий характер зависимости силы трения от скорости перемещения. Эти модели расширяют функциональные возможности математической модели процесса трения, что позволяет повысить виброустойчивость технологической системы токарного станка.

Для учета РР упрочненной поверхности трения с карманами для удержания смазки на направляющих станка в модель (2) - (9) ввели подвижный стык «направляющие - суппортная группа» в виде тонкого слоя материала ячеистой структуры (рис. 3).

Схема к определению коэффициента при расчете эквивалентного значения демпфирования представлена на рис. 2.

Рис. 3 Модель подвижного стыка «направляющие - суппортная группа» (по Ю.В. Кирилину)

Предложена зависимость (10) для расчета условной (упрочненной) площади контакта сопряженных деталей при заданных параметрах РР в математической модели подвижного стыка (см. рис. 3):

,(10)

где В, L - соответственно ширина и длина упрочненной поверхности, мм; - ширина упрочненной ленточки, мм; - константы, характеризующие геометрию поверхности в зависимости от ее обработки; - безразмерный параметр, зависящий от вида обработки; - коэффициент влияния масштаба; - напряжение, МПа; - средняя арифметическая высота микронеровностей, мкм; - амплитуда, мм; - максимальная высота микронеровностей, мкм; - приведенный модуль упругости, МПа.

Контактную жесткость подвижных стыков «направляющие - суппортная группа» определяли по формуле:

,(11)

где - площадь упрочненного слоя, м².

Устойчивость токарного станка при резании определяли по алгоритму, обусловленному программой «Tochka», разработанной в УлГТУ под руководством Ю.Н. Санкина на базе программы Mathсad 14. При этом расчете значение передаточной функции шпиндельного узла при линейном перемещении

(12)

и значение передаточной функции задней бабки

(13)

были использованы из статьи Санкина Ю.Н., Жиганова В.И., Пирожкова С.Л. (Влияние трения в направляющих скольжения на виброустойчивость прецизионного токарного станка при резании с учетом динамических характеристик заготовки. СТИН. 2009. № 7).

Передаточную функцию эквивалентной упругой системы станка с учетом жесткости заготовки определяли из соотношения:

,(14)

где М(щ) - матрица упругой системы станка; М₁(щ) - матрица заготовки.

Критическая глубина резания:

,(15)

где - главный угол резца в плане, град.; - коэффициент резания; - Re_max - минимум отрицательного значения вещественной составляющей характеристики (мкм/Н), причем матрица R называется матрицей направления силы резания и имеет диадную структуру.

Таким образом, получена комплексная многофункциональная математическая модель (зависимости (1) - (11)) образования упрочненной поверхности трения с РР и управления динамикой станка при резании.

В третьей главе приведена методика исследований процесса упрочнения и образования РР упрочненных рабочих поверхностей направляющих металлорежущих станков в лабораторных и производственных условиях, целью которой является определение экспериментальных характеристик трения и характеристик качества поверхностей, упрочненных по новой технологии, разработка квадратичных уравнений регрессий для создаваемой математической модели и повышение динамической устойчивости и эффективности функционирования токарных станков на основе предложенных разработок (рис. 4 - 6).

Электромеханическое упрочнение образцов деталей с плоской поверхностью проводили на вертикально-фрезерном станке модели 6В11 с автоматическим перемещением удерживающей платформы в горизонтальном направлении (рис. 4), что позволило задавать и обеспечивать требуемую скорость обработки. Источником тока для вышеуказанной обработки является мобильная установка ЭМО состоящая из закрытого корпуса на колесах, трансформатора тока, аппаратуры регулирования электрических параметров приборами контроля, управления и защиты, собранными в одну конструкцию. Поверхность обрабатываемой заготовки 3 упрочняли инструментальным роликом 2, изготовленным по патенту РФ № 2271919 (рис. 5). Ролик выполнен в форме диска, имеет отверстие, с помощью которого устанавливается в инструментальный узел. Торцовые поверхности ролика служат для его фиксации в осевом направлении, а рабочая поверхность выполнена в виде непрерывного цилиндрического контура, на котором создан регулярно повторяющийся по длине окружности геометрически правильный рисунок в форме синусообразной ленточки шириной f с амплитудой, равной 2А.



Рис. 4 Схема электромеханического Рис. 5. Инструментальный ролик: 1 - диск; упрочнения плоскостных деталей: 2 - посадочное отверстие; 3 - торцовая 1 - вертикально - фрезерный станок поверхность; 4 - рабочая поверхность; (например, мод. 6В11); 2 - инструмент 2A - амплитуда; t - шаг; f - ширина (ролик); 3 - поверхность обрабатываемой винтовой дорожки заготовки

Рис. 6 Схема установки на станке устройства для упрочнения станины: 1 - стойка; 2 - державка; 3 - ролик; 4 - поперечные салазки суппорта; А, Б, В, Г - упрочняемые поверхности направляющих

Для упрочнения направляющих непосредственно на работающем станке с помощью его привода подач (рис. 6), стойка 1 устройства базируется относительно кругового паза на поперечных салазках 4 суппорта токарного станка (предварительно со станка демонтируется верхний суппорт с резцедержателем). В основании стойки 1 для этого предусмотрены дополнительные пазы, обеспечивающие переустановку устройства на салазках 4. На стенке стойки 1 закрепляется державка 2 вместе с установленным в ней инструментальным роликом 3, изготовленным по рис. 5. Державка предварительно ориентируется в угловом (по нанесенным на стойке меткам рядом с пазами для крепления державки 2) и осевом направлениях относительно поверхности направляющей, обеспечивая контакт рабочей поверхности ролика 3 с зеркалом направляющей станины с заданным усилием 200 - 500 Н (по индикатору, установленному на державке 2). На инструментальный ролик 3, подведенный к поверхности направляющей и перемещаемый от коробки подач станка со скоростью 0,8 - 1,5 м/мин, подается электрический ток, в результате чего происходит упрочнение поверхности станины с образованием РР.

Предложена и реализована новая технология электромеханического упрочнения направляющих металлорежущих станков с получением направленного регулярного рельефа (патент РФ № 2271919).

В четвертой главе представлены результаты металлографических, триботехнических и натурных исследований. На рис. 7 показаны графики распределения микротвердости образцов, упрочненных на различных режимах, причем максимальные значения микротвердости HRC и глубины упрочненного слоя h получены при скорости перемещения инструмента относительно образцов v = 1 м/мин и силе тока I = 800 А.



Рис. 7 Распределение микротвердости HRC упрочненного слоя по глубине детали h: а, б, в - соответственно v = 1; 1,25; 1,5 м/мин

С помощью сканирующего зондового микроскопа NanoEducator получены изображения поверхности образцов, упрочненных по новой технологии (рис. 8). Высота микронеровностей поверхности неупрочненного участка составляет 6000 нм, а упрочненной - 600 нм.

Рис. 8 Рельеф поверхности образца, просканированной СЗМ NanoEducator (образец подвергнут упрочнению с получением РР при I = 800А; v = 1 м/мин): а - неупрочненная зона; б - переходная зона; в - упрочненная зона (значения по осям указаны в нанометрах)

Лабораторные исследования проводили путём постановки многофакторного эксперимента в соответствии с руководящим документом РДМУ 109-77. Адекватность экспериментальных зависимостей (по рис. 7, 9) оценивали по критериям Стьюдента и Фишера.

Результаты исследований позволяют определить наиболее эффективный режим упрочнения: I = 800 А; v = 1 м/мин. При таких режимах твердость упрочненного слоя повысилась до 589 HB, шероховатость упрочненных участков образцов направляющих станины уменьшилась с Ra = 3,01...2,89 мкм до Ra = 1,62 мкм, глубина упрочненного слоя составляет 0,56 мм.

По результатам триботехнических исследований разработаны регрессионные математические модели трения вида (4), построены графики изменения коэффициента трения в парах из различных материалов при различных режимах нагружения и способах смазки трущихся поверхностей (рис. 9). Установлено, что у упрочненных ЭМО образцов коэффициент трения имеет тенденцию к снижению за время испытаний, так как контактирующие поверхности постепенно достигают эксплуатационной шероховатости, существенно меньше исходной. При трении упрочненных металлических образцов в паре с полимерным материалом Ф4К15М5 наблюдается ускоренная стабилизация коэффициента трения при двух -, трехкратно меньших его значениях и выход практически на горизонтальный рабочий участок кривой трения (статической характеристики трения).



Рис. 9 Изменение коэффициента трения за время испытаний: смазка со стружкой; пара трения «чугун упрочненный ЭМО - чугун»: 1 - P = 600 Н, v = 28 м/мин; 2 - P = 500 Н, v = 5 м/мин; 3 - P = 100 Н, v = 10 м/мин

Для проведения натурных испытаний упрочнили направляющие станины токарного станка мод. УТ - 16 ПМ в ОГОУ СПО «Ульяновский технический колледж». Используя методику испытаний токарных станков, разработанную в ЭНИМСе, получили амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) станка с упрочненными и неупрочненными направляющими (при N = 560 об/мин; s = 0,054 мм/об; глубине резания 0,5 мм). Установлено, что расхождение значений первой резонансной частоты и динамической податливости НС на этой частоте с результатами, полученными ранее В.И. Жигановым в диссертации «Повышение технического уровня прецизионных токарных станков по их виброустойчивости», 1995, практически не наблюдается.

Самый большой пик на АЧХ с неупрочненными и упрочненными направляющими находится на частоте 47 - 49 Гц, причем значения амплитуд колебаний на пике, в зависимости от вариантов исполнения, различаются приблизительно в два раза (соответственно 0,12 и 0,07 мкм/Н).

Для оценки эффективности предлагаемой технологии упрочнения направляющих станков и определения качества обработки заготовок, на профилометре ПРОФИ-130 была определена шероховатость обработанной поверхности заготовок по параметру Ra. На станках с упрочненными направляющими получены значения Ra = 0,85 - 1,25 мкм, а с неупрочненными направляющими - Ra = 1,81 - 2,45 мкм.

В пятой главе приведены результаты расчета по зависимости (5) динамических характеристик станков базового варианта и после упрочнения направляющих станины с образованием РР поверхности и карманов для удержания смазки. Показано, что использование предлагаемого способа упрочнения направляющих станины токарно-винторезного станка мод. УТ - 16 ПМ с образованием РР упрочненной поверхности приводит к уменьшению амплитуды динамической податливости на первой резонансной частоте по сравнению с исходным вариантом с 4,510 10^-12 до 2,341 10^-12 м/Н.

Рис. 10 Совмещенные расчетные АФЧХ суппорта: 1, 2 - соответственно неупрочненные и упрочненные направляющие

На рис. 10 у станка с упрочненными направляющими низкочастотный виток амплитудно-фазово-частотной характеристики (АФЧХ) в два раза меньше, чем у станка с неупрочненными направляющими.

Для заготовок диаметром 40 и 80 мм по зависимости (15) определена расчетная критическая глубина резания по их длине (рис. 11). Предельная глубина резания благодаря нанесению РР на направляющие станины увеличивается: при наличии на направляющих карманов для удержания смазки с 3,97 до 6,05 мм при перемещении суппорта в условиях чистой смазки и при точении заготовки диаметром 40 мм.

а) б)

в) г)

Рис. 11 Расчетные значения критической глубины резания t в зависимости от длины заготовки l: 1, 2 - диаметр заготовки соответственно 80 и 40 мм; а - СЧ20(ЭМО) - Ф4К15М5; б - СЧ20 (ЭМО) - СЧ20; в - СЧ20(ЭМО+карманы) - Ф4К15М5; г - СЧ20 (ЭМО+карманы) - СЧ20

Расчетное значение критической глубины резания увеличивается с повышением виброустойчивости станка, особенно при обработке нежестких заготовок, для которых наиболее эффективным является дополнительное применение защищенного патентом РФ № 2414332 способа обработки и технологического модульного устройства для автоматической балансировки неуравновешенных заготовок типа валов.

Расчетом установлено, что экономический эффект станка мод. УТ-16 ПМ от упрочнения и создания РР на направляющих составит 124780 рублей в год при меньших капитальных затратах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана комплексная многофункциональная математическая модель перемещения суппортной группы станка по упрочненным с образованием РР поверхности и карманов для удержания смазки направляющим станины. Модель включает функциональные зависимости (1) - (11) для определения коэффициента трения, аналитические зависимости для определения условной площади контакта упрочненной поверхности направляющих станины с направляющими суппорта в широком диапазоне нагрузок и скоростей перемещения и различных режимах смазки.

2. Разработан новый способ поверхностно-упрочняющей электромеханической обработки с получением регулярного рельефа упрочненного поверхностного слоя детали, получены регрессионные модели трения и шероховатости упрочненной поверхности. Для реализации нового способа упрочнения с получением направленного РР направляющих металлорежущих станков спроектированы и изготовлены соответствующие средства технологического оснащения: инструментальный ролик, инструментальная державка, устройство, устанавливаемое на станке, и др.

3. В результате металлографических исследований чугунных образцов, упрочненных по предлагаемому способу с получением направленного РР, определен наиболее эффективный режим упрочнения: сила тока I = 800 А; скорость перемещения ролика v = 1 м/мин. При таком режиме шероховатость упрочненных участков образцов (по параметру Ra) уменьшилась в 1,5 - 2 раза в зависимости от исходной шероховатости поверхности, твердость поверхностного слоя повысилась с 233 до 589 HB (глубина упрочненного слоя 0,56 мм) при применении бронзового инструментального ролика.

4. Получены зависимости значений коэффициента трения в различных парах в зависимости от продолжительности испытаний в широком диапазоне скоростей и нагрузок. Установлено, что коэффициенты трения упрочненных ЭМО образцов имеют тенденцию к снижению за период эксперимента, так как контактирующие поверхности постепенно достигают определенной, минимальной в данных условиях шероховатости. У пар трения упрочненных образцов в контакте с полимерным материалом Ф4К15М5 наблюдается ускоренная стабилизация коэффициента трения, отмечается двух - трехкратное уменьшение его значения и выход практически на горизонтальный рабочий участок кривой трения, т.е. меньшее изменение значения коэффициента трения на любом скоростном режиме, чем при трении двух металлических образцов.

5. Выполнено электромеханическое упрочнение рабочих поверхностей направляющих под каретку станины токарного станка УТ - 16 ПМ с получением упрочненного направленного РР. Проведены экспериментальные исследования динамики этого станка с упрочненными и неупрочненными направляющими. Амплитуда колебаний на пике суппортной группы станка с упрочненными направляющими в два раза меньше, чем у станка с неупрочненными направляющими: соответственно шероховатость поверхностей заготовок, обработанных на станке с упрочненными направляющими, Ra = 0,85 - 1,25 мкм, а при неупрочненных направляющих Ra находится в пределах 1,81 - 2,45 мкм.

6. Расчетные АФЧХ передаточной функции упругой системы показали, что при трении в направляющих скольжения из полимерного материала Ф4К15М5 снижение максимальных амплитудных значений АФЧХ, по сравнению с чугунными направляющими, составляет примерно 24 %. Наличие карманов на направляющих приводит к уменьшению амплитуды на 40 % при загрязненной смазке. В чистой смазке уменьшение амплитудных значений АФЧХ для направляющих скольжения из полимерного материала Ф4К15М5 составляет 19 %, а наличие карманов на направляющих уменьшает амплитудные значения АФЧХ на 28 %.

7. Расчет критической глубины резания по длине заготовки в рабочем пространстве станка показал, что ее максимальное значение 4,08 мм наблюдается в паре трения СЧ20 (ЭМО+карманы) - Ф4К15М5 при диаметре заготовки 80 мм, при диаметре 40 мм критическая глубина резания равна 3,73 мм. Максимальная критическая глубина резания 6,05 мм получена в паре трения СЧ20 (ЭМО+карманы) - Ф4К15М5 при перемещении в чистой смазке (при точении заготовки диаметром 40 мм). Однако, применение этой пары трения требует надежной защиты направляющих станины.

8. Новая технология электромеханического упрочнения поверхностей направляющих станин токарных станков с образованием направленного РР и карманов для удержания смазки апробирована в производственных условиях ОГОУ СПО «Ульяновский технический колледж». Упрочнение направляющих токарного станка УТ - 16 ПМ при меньших капитальных затратах позволяет получить годовой экономический эффект в размере 124780 руб.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях по Перечню ВАК и патенты на изобретения

1. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Исследование трения и разработка методов электромеханической обработки поверхностей направляющих скольжения металлорежущих станков // СТИН. 2009. № 4. C. 2-6.

2. Жиганов В.И., Халимов Р.Ш. Технология электромеханического упрочнения направляющих скольжения металлорежущих станков // Технология машиностроения. 2011. № 7. С. 41-44.

3. Жиганов В.И., Халимов Р.Ш. Разработка и исследование технологии финишного электромеханического упрочнения направляющих токарного станка // Упрочняющие технологии и покрытия. 2011. № 7. С. 8-12.

4. Патент РФ № 2383429 «Многоинструментальная головка для электромеханической обработки плоских поверхностей». В. И. Жиганов, А. В. Морозов, К. Р. Кундротас, Р.Ш. Халимов. Опубл. 10.03.2010. Бюл. № 7.

5. Патент РФ «Способ упрочнения поверхности деталей». В. И. Жиганов, Р.Ш. Халимов, Н.А. Смирнова. Опубл. 27.03.2010. Бюл. № 9.

6. Патент РФ № 2414332 «Способ обработки и технологическое модульное устройство для автоматической балансировки неуравновешенных заготовок типа валов». В. И. Жиганов, Ю.Н. Санкин, Р.Ш. Халимов, С.В. Жиганов. Опубл. 20.03.2011. Бюл. № 8.

Публикации в других изданиях

7. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Некоторые способы улучшения динамических характеристик технологической системы токарного станка // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Молодёжь и наука XXI века». Ульяновск: УГСХА, 2007. С. 164-174.

8. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Моделирование стыка пары трения “ползун - направляющие” и факторы, определяющие точность расчета // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы агропромышленного комплекса». Ульяновск: УГСХА, 2008. С. 43-47.

9. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. «Результаты лабораторно-экспериментальных исследований образцов материалов по схеме трения “вал - неполный вкладыш” после электромеханической обработки // Материалы международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы аграрной науки и образования». Ульяновск: УГСХА, 2008. С. 96-102.

10. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Новые методы получения направленного регулярного микрорельефа поверхностей трения // Материалы международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». Санкт - Петербург: СпГПУ (НПФ “Плазмацентр”), 2008. С. 159-164.

11. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Анализ чувствительности математической модели при исследовании пар трения скольжения // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. Ульяновск: УГСХА, 2009. № 2. C. 95-98.

12. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Особенности построения геометрической модели для расчета динамических характеристик несущей системы токарного станка модели УТ-16 // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. Ульяновск: УГСХА, 2009. № 3. C. 69-73.

13. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Определение фактической площади контакта стыка при образовании РМР // Материалы международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». Санкт - Петербург: СпГПУ (НПФ “Плазмацентр”), 2010. С. 135-138.

14. Жиганов В.И., Халимов Р.Ш. Расчет динамических характеристик суппорта токарного станка при искусственном моделировании подвижного стыка // Материалы 3-й международной научно - практической конференции «Молодежь и наука 21 века». Ульяновск: УГСХА, 2010. С. 138-142.

15. Жиганов В. И., Халимов Р.Ш. Разработка и исследование технологии финишного электромеханического упрочнения направляющих токарного станка // Материалы международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки». Санкт - Петербург: СпГПУ (НПФ “Плазмацентр”), 2011. С. 128-133.

16. Жиганов В.И., Халимов Р.Ш. Повышение производительности токарной обработки заготовок на основе экспериментально - расчетного определения устойчивого резания // Материалы Международной молодежной научной школы - семинара «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении». Ульяновск: УЛГТУ, 2011. С. 94-101.

Размещено на Allbest.ru