10Л. Совершенствование технологических методов обработки деталей машин

Понятие «метод обработки» включает в себя все элементы технологической систе­мы, порядок и режимы ее работы.

Практически все методы обработки основаны на механическом, физическом, хими­ческом ияи их совместном воздействии на обрабатываемую поверхность при определен­ной кинематике перемещений инструмента и заготовки (рис. 10.1). В то же время любая изготовленная деталь имеет определенное функциональное назначение. Наряду с перво­начальным позиционированием деталей в сборочной единице, определяемым точностью размеров, в процессе эксплуатации они воспринимают новое механическое, физическое ияи химическое воздействие при определенной кинематике их движений. Это приводит к изменению взаимного положения собранных деталей, потере точности, а иногда и к разрушению машин.

Все это говорит об идентичности процессов воздействия ия деталь как при ее изго­товлении, так и в процессе эксплуатации (рис. 10.2). Все эти факторы определяются:

1. формой и размерами рабочей части инструмента;

   2. - макроотклонением, волнистостью и шероховатостью рабочих поверхностей и инструмента;

   3. - скоростями и подачами взаимного перемещения заготовки и инструмента;

1. - геометрией рабочей части инструмента;

2. - силой и жесткостью технологической системы;

3. - временем воздействия;

Рис. [0.1. Процесс обработки заготовки на любой операции

Рис. 10.2. Структурная схема воздействия различных факторов на заготовку при обработке и иа готовую деталь при эксплуатации:

' 1, 2, 3, 4 и 5, 6, 7, 8 —соответственно кинематическое, силовое, температурное, химическое воздействие на обрабатываемую заготовку при изготовлении и готовую деталь при эксплуатации

1. - величиной снимаемого или пластически деформируемого поверхностного

слоя;

2. СОТС;

3. - временем воздействия температуры; ■»

1. - материалом рабочей части инструмента;

2. СОТС;

3. - величиной снимаемого слоя или пластически деформируемого поверхностно­го слоя;

4. - временем протекания химического процесса при обработке;

1. - формой и размерами сопрягаемой поверхности;

2. - макроотклонением, волнистостью и шероховатостью сопрягаемой поверхно­сти;

3. - кинематикой и скоростью взаимного перемещения сопрягаемых поверхно­стей;

1. - формой и размерами сопрягаемой поверхности;

2. - макроотклонением, волнистостью и шероховатостью сопрягаемой поверхно­сти;

3. - рабочей нагрузкой на деталь при эксплуатации;

1. - температурой окружающей среды в процессе сборки и эксплуатации;

2. - промежуточной средой (смазкой);

3. - рабочими нагрузками;

1. - физико-механическими свойствами поверхностного слоя сопрягаемой детали;

2. - промежуточной средой (смазкой);

3. - температурой окружающей среды;

4. - временем контактного взаимодействия.

Это говорит о необходимости целенапраалеиного кинематического, силового, тем­пературного и химического воздействия на детали при изготовлении, исходя из их даль­нейшего функционального назначения.

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

При эксплуатации отдельные участки одной и той же рабочей поверхности имеют различное механическое, физическое и химическое воздействие, 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 таких деталей и инструментов должны обладать быстрой прирабатываемо- стью. Естественно, что для повышения долговечности таких деталей, соединений и ин­струментов необходимо при изготовлении обеспечить различные эксплуатационные показатели, а в большинстве случаев создавать новые поверхностные слои, обладающие быстрой прирабатываемостью. Все это ставит задачу целенаправленного системного

совершенствования существующих и разработки новых методов обработки деталей ма­шин, исходя из их функционального назначения.

Совершенствование существующих методов обработки, как правило, происходит случайно, а иногда исходя из постааленной 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 комби­нированным методам обработки. Совершенствование существующих технологий обра­ботки деталей зачастую происходит из необходимости повышения их долговечности. Так, цилиндрические и конические ролики подшипников качения для предотвращения их разрушения по краям необходимо обрабатывать с эксплуатационным распределением давлений вдоль образующей (рис. 10.3). Это позволяет обеспечить шлифование роликов бесконечной лентой. В результате такого шлифования ролики приобретают бочкообраз­ную форму, которая при эксплуатации дает почти равномерное распределение давления вдоль образующей ролика (рис. 10.3, б). Правильный расчет условий обработки (ширина и натяжение ленты, радиальная сила) позволяет получить форму ролика, обеспечиваю­щую практически равномерное распределение давления вдоль образующей при его экс­плуатации. Аналогично обстоит дело и с подшипниками скольжения, но в данном слу­чае неравномерность давления при эксплуатации возникает как вдоль образующей, так и по дуге контакта. Избежать этого можно отделочно-упрочняющей обработкой ППД 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 сниой тока. Это позволяет получить поверхности трения с закономерно изменяющейся степенью упрочнения, обеспечиваю­щей равномерный износ I при различных давлениях и скоростях:

(Ю.1)

■■ННг’.'ГВПКг

/(ф)= 176 + 3,6НУ_исхЕ/(ф)+ 176V —5,1Р,

где (У(ф) - степень упрочнения поверхностного слоя; HV„_C1[ - исходная твердость обра­батываемой заготовки; v - скорость обработки, м/мнн; Р - рабочее усилие при ЭМО, Н.

Р

&

Рис. 10.3. Распределение рабочих давлений вдоль образующей при контакте ролика и поверхности катания:

а — при цилиндрической форме; 6 - при бочкообразной форме _;.i

Из полученного уравнения следует, что воздействие на степень упрочнения может быть осуществлено не только через силу тока, но и через скорость и давление, т.е. те же факторы, которые при эксплуатации вызывают различную интенсивность износа. Это еще раз подтверждает правильность выдвинутой гипотезы о единстве процессов силово­го, температурного и другого воздействия на рабочие поверхности деталей как при их изготовлении, так и при эксплуатации.

Так как эти детали работают при постоянно изменяющихся режимах, необходимо, чтобы их поверхности обладали быстрой прирабатываемостью. Это лучше обеспечива­ется, если поверхности имеют чередующиеся мягкие и твердые участки. Получить та­кую поверхность можно, если току придать импульсный характер. Так появилась им­пульсная ЭМО.

Различные участки рабочих поверхностей зубьев, наряду с тем, что они работают при различных условиях, должны также обеспечивать совершенно разные эксплуатаци­онные свойства. Так, у их основания должно обеспечиваться сопротивление усталости, на участке у делительной окружности - контактная прочность, на остальных участках боковой поверхности - износостойкость. Это характерно особенно для сияовых зубча­тых передач. Очевидно, что принятые технологии обработки боковых поверхностей зубьев (фрезерование и шлифование) не могут обеспечить выполнение таких условий. Это может быть обеспечено целенаправленным изменением силового и температурного воздействий на обрабатываемую поверхность зуба, что реализуется через комбиниро­ванную обработку ППД и ЭМО, которая требует целенаправленной разработки как ин­струмента, так и оборудования.

Анализ износа цилиндров двигателей показал, что они имеют наибольший износ в верхней части. Эта, очевидно, объясняется повышенными температурами в этой части цилиндров при их эксплуатации, которая при недостаточной маслоемкости поверхности может приводить к явлениям схватывания, особенно в начальный период приработки. Для избежания этого вредного яаления на цилиндрах двигателей целесообразно сфор­мировать вибронакатыванием маслоемкие карманы. Величина этих карманов по длине цилиндра должна быть различной, что обеспечивается закономерно изменяющимися режимами обработки: частотой колебаний и усилием рабочего шарика в и бро накатного устройства.

Обработка внутренних резьб в алюминиево-кремнистых сплавах связана со значи­тельными трудностями. Резание затруднено вследствие вязких свойств материала, а пла­стическое деформирование — его хрупкостью. Все это привело к необходимости комби­нированной обработки и разработке специального инструмента, обеспечивающего при обработке благоприятные условия резания и пластического деформирования, что позво­лило значительно повысить производительность обработки и качество резьбы.

Рабочие 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 обеспечения 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 должна быть легирована материалами, обеспечивающими это, что осущесталяется лазерным легированием.

Изучение взаимодействия рабочей части режущего инструмента и обрабатываемой детали показывает на возможность частичного или полного перевода процесса резания к пластическому деформированию. Это в значительной мере расширяет возможности со­вершенствования обычных методов механической обработки.

Научно обоснованное определение требуемых величин воздействующих факторов или их соответствующего изменения, исходя из функционального назначения детали, позволит создавать оптимальные технологии их производства, эксплуатации и ремонта.

2. Создание новых технологических методов обработки и процессов изготовления и ремонта изделий машиностроения

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

При проектировании новых методов обработки и технологических процессов необ­ходимо использовать как накопленный опыт, так и новый системный подход, базирую­щийся на единстве технологии 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; химико­механическое полирование; механическая обработка с наложением ультразвука и т.д. Необходимость строгого управления силой и количеством ударов металлической дроби на единицу площади привело к созданию нового метода обработки инструментом цен­тробежно-ударного действия.

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

Однако вполне реально, проанализировав состояние вопроса, можно указать основ­ные направления, а также сформулировать отдельные приемы и методы решения данной задачи.

В целом эволюционную систему технологических преобразований и создания но­вых прогрессивных технологий можно представить в виде следующей модели (рис. 10.4). Основными объектами модели являются: кадровое обеспечение, техническое обеспечение и технологические среды. Они осуществляют технологическое воздействие N(t_t) материального S₀(t_k), энергетического £₀(б) и информационного /„(/*) типов на предметы обработки (заготовки, изделия) и реализуют процесс технологических преоб­разований заготовок в изделия, которые имеют вход V и выход W. Сам процесс техноло­гических преобразований имеет обратную связь с обеспечивающими объектами систе­мы. Обратная связь позволяет подучать сведения о количественных и качественных па­раметрах процессов технологических преобразований, а также дает возможность много­кратного использования средств технологического воздействия, организовать их поточ­ность и непрерывность функционирования.

Все объекты системы технологических преобразований функционируют в про­странстве и во времени, поэтому между ними действуют пространственно-временные отношения. Объекты модели ограничены пространственной границей, определяющей эту систему как функциональную единицу или объемно-пространственную производст­венную ячейку.

Воздействия, оказываемые на систему технологических преобразований со стороны других систем, могут быть представлены следующим множеством;

Кадровое обеспечение^ техническое обеспечение, технологи четкие среды

Технологические ' воздействия

Рис, 10.4. Модель системы технологических преобразований (базовая модель технологии)

F' = j Ft, } = S_u(£) и ед u Ц1_к), (10.2)

где F' - вектор обобщенного входа; S_u(£) - входные обобщенные воздействия матери­ального типа; £_ц(/*) - входные обобщенные воздействия энергетического типа; /_Ц(Щ - входные обобщенные воздействия информационного типа; Г* - момент времени.

Входные воздействия оказывают различное действие на систему технологических преобразований.

Основные задачи входных воздействий F' следующие: обеспечение необходимой структуры объектов; реализация требуемою поведения объектов; восстановление пото­ков технологического воздействия орудий и средств обработки на изделия и другие.

Воздействия, реализуемые системой технологических преобразований на другие системы, могут быть описаны следующим образом:

F, = {F/, F’ ад и ад и Ш), (10-3)

где Fj - вектор обобщенного выхода; £_и(/*) - выходные обобщенные воздействия мате­риального типа; £_ш(£) - выходные обобщенные воздействия энергетического типа; - выходные обобщенные воздействия информационного типа.

Входные и выходные обобщенные воздействия включают как основные потоки различных типов, направленные на прогрессивное развитие системы, так и побочные (вредные, сопутствующие), оказывающие отрицательное влияние на качественные пока­затели развития.

Проектирование технологии подразумевает учет противоречивых требований, при­чем продуктами его являются модели, позволяющие понять структуру будущей техно­логии. Однако разработка технологии остается до сих пор трудоемким процессом, целью которого является: обеспечение требуемого алгоритма функционирования (технологиче­ского воздействия); реализация приемлемой цены; удовлетворение явным и неявным требованиям по эксплуатационным качествам, ресурсопотреблению и дизайну; удоале- творение требованиям к стоимости и продолжительности разработки технологии. При этом процессы проектирования технологий могут выполняться по различным схемам. Этапы традиционного жизненного цикла технологии характеризуются лавинообразным нарастанием сложности (рис. 10.5). Во многих компаниях и фирмах такую схему созда­ния технологий рассматривают как незыблемую. Однако, несмотря на силу традиций, анализ жизненного цикла технологии показывает следующие недостатки этой схемы:

• непригодность для разработки сложных технологий, состоящих из большого количества подсистем и автономных модулей, образующих сетевые структуры;

• обязательно последовательное выполнение всех этапов создания технологии;

• несовместимость с эволюционным подходом;

• несовместимость с перспективными методами автоматизированного

Поэтому для создания прогрессивных технологий традиционные методы не подходят.

Начинает развиваться объектно-ориентированное проектирование, что особенно перспективно для создания новых технологий. В основе объектно-ориентированного проектирования лежит объектный подход, главными принципами которого являются: абстрагирование, ограничение доступа, модульность, иерархичность, типизация, парал­лелизм и устойчивость.

На рис. 10.5 показаны этапы жизненного цикла технологии при объектно- ориентированном проектировании. Здесь процесс создания технологии не является от­дельным монолитным этапом. Он представляет собой один из шагов на пути последова­тельной итеративной разработки технологии; при этом последовательность шагов может иметь произвольный характер. Частный вариант последовательной итеративной разра­ботки технологии с направленными шагами через анализ представлен также на рис. 10.5.

Применение описанных моделей позволило определить основные характеристики прогрессивных технологий нового поколения, которые, дополивя известными данными, можно представить структурной схемой, изображенной на рис. 10.6. Она имеет иерархи­ческую структуру и содержит основные признаки, особенности и обеспечение прогрес­сивных технологий. Основные признаки, характеризующие прогрессивность новых тех­нологий, даны на структурной схеме (рис. 10.6) относительно конечного результата их действия - изделий. Эти признаки можно представить следующими категориями:

• качественно новая совокупность свойств изделий (причина);

• качественно новая мера полезности изделий (следствие).

С развитием науки и техники создаются возможности для улучшения свойств изде­лий, например, геометрических, кинематических, механических, тепловых, оптических и других, а также реализуются качественно новые свойства изделий, например, экологиче­ские, манипуляционные, отражения жестких космических лучей, свойства обладания эффектом «магнитная потенциальная яма» и др. Для обеспечения этого проектируемые технологии непрерывно совершенствуются и создаются качественно новые. Они будут придавать качественно новые свойства изделиям.

Однако, только мера этих свойств - полезность этих изделий или их ценность, име­ет решающее значение, так как конечной целью изготовления любого изделия является обеспечение необходимой ценности. Создаваемые прогрессивные технологии непре­рывно повышают ценность изделий и соответственно реализуют качественно новую ме­ру их полезности, обеспечивается возможность использования их в работах и-го поколе­ния, для «гипердвигателей» межгалактических кораблей, для марсианского транспорта, построенного по принципу мехатроники, и др.

Создаваемые прогрессивные технологии нового поколения имеют некоторые базо­вые особенности, основные из которых могут быть связаны с высокой наукоемкостью их создания, сложностью реализации и функционирования; при этом необходимы высо­кая информационность и компьютеризация, определенный уровень электрификации и энергообеспечения, поэтому проектирование новых технологий должно базироваться на оптимальных технологических процессах. При необходимости могут быть использованы новые методы преобразования заготовок в изделия. Для этого должны применяться про­грессивные методы производства. На всех этапах жизненного цикла (см. рис. 10.5) но­вых технологий необходимо обеспечивать высокую степень автоматизации процессов. Созданные технологии должны иметь высокую устойчивость и надежность функциони­рования по заданному алгоритму. Все это должно быть тщательно проработано на осно­ве принципов объектно-ориентированного подхода и обеспечена экологическая чистота технологий. Вместе с тем, создаваемые технологии должны быть открытыми к развитлю и иметь возможность эволюционировать и модифицироваться в соответствии с изменяю-

Прогр eccuSмые тех мол о зии Н обо г о поколения

Высокая информацией ноете и компьютерн­ая цио

Высокий уровень Jw ентририкации и знергообеспеч ения

Оптима* ь иый технол ог и нее к ид процесс

Новые принципы свой­ства и качества ком- пазиции оборудования

Jo-
til
84		к* 4?

Новые методы преовралоба ниц изделий

UcnoA ыобамие