авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Проектирование технологии отделочно-упрочняющей центробежной обработки на основе имитационного моделирования

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГУРИН Павел Александрович

Проектирование технологии
отделочно-упрочняющей
центробежной обработки
на основе имитационного моделирования

Специальность 05.02.08 Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ПЕНЗА 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Зверовщиков Владимир Зиновьевич
Официальные оппоненты: Сейнов Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», профессор кафедры «Транспортные машины»; Голубовский Виталий Вадимович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия», доцент кафедры «Технология общего и роботизированного производства»
Ведущая организация – ФГУП ФНПЦ
«ПО "СТАРТ"  им. М. В. Проценко»
(г. Заречный Пензенской области)

Защита диссертации состоится 28 июня 2013 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 25 мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие технологии механической обработки деталей машин характеризуется возрастанием требований к качеству поверхностей после финишных операций. К наиболее экономичным и доступным в реализации методам финишной обработки относится поверхностно-плас-тическое деформирование (ППД), которое обеспечивает дости­жение таких основных показателей качества, как глубина упрочнения и шероховатость поверхности.

Перспективным способом ППД поверхностей деталей сложной конфигурации, наряду с галтовочной, вибрационной и центробежно-ротационной обработкой, является центробежно-планетарная обработка (ЦПО), которая основана на использовании центробежных сил, возникающих при планетарном вращении контейнеров с рабочей загрузкой. Гранулированная рабочая среда, преимущественно в виде стальных полированных шаров, является универсальным инструментом для воздействия на сложные поверхности широкой номенклатуры обрабатываемых изделий.



Известные модели ЦПО не учитывают сопротивление жидкости при движении рабочих тел и инерционные силы от переносного вращения водила, что затрудняет управление показателями качества поверхности при ППД, приводит к неоправданному увеличению длительности обработки.

Для обеспечения показателей качества поверхности при технологической подготовке производства необходимо математически описать взаимодействие рабочих тел с поверхностями деталей в жидкостной среде при ЦПО, разработать программное обеспечение и имитационные модели, позволяющие посредством управляющей программы спроектировать технологическую операцию упрочняющей обработки.

Имитационное моделирование позволяет оптимизировать режимы ЦПО, необходимые для достижения заданных показателей качества поверхностного слоя деталей из различных материалов.

Поэтому определение эффективных технологических режимов отделочно-упрочняющей ЦПО на основе имитационного моделирования является актуальной задачей для повышения качества поверхностей деталей и сокращения сроков проектирования операции.

Объект исследования – технологическая операция отделочно-упроч-няющей обработки в контейнерах с планетарным вращением.

Предмет исследования – взаимосвязи технологических режимов ЦПО с показателями качества поверхностного слоя и система проектирования операционной технологии.

Цель работы – достижение заданных показателей качества поверхности при центробежно-планетарной обработке путем разработки и применения системы технологического проектирования, основанной на имитационном моделировании контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей
деталей.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие
задачи:

1) создать математическую модель движения рабочей загрузки при планетарном вращении контейнера с учетом сопротивления технологической жидкости;

2) разработать конечно-элементную модель контактного деформационного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей;

3) создать методику и программный модуль имитационного моделирования ЦПО для обеспечения показателей качества при оптимизации технологических режимов;

4) выполнить экспериментальные исследования влияния технологических факторов ЦПО на показатели качества поверхностного слоя для оценки адекватности результатов имитационного моделирования;

5) разработать систему проектирования технологической операции отделочно-упрочняющей обработки на основе имитационного моделирования процесса;

6) на основе разработанной системы проектирования дать рекомендации по назначению рациональных режимов обработки и внедрить результаты исследований в производство.

Методы исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, теоретической механики, теориях вероятностей и математической статистики, трения и износа и имитационного моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись по методике многофакторного планирования эксперимента в лабораторных и производственных условиях с использованием аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры и поверенных приборов. Моделирование, обработка и анализ результатов исследований проводились с использованием вычислительной техники и лицензионных программных пакетов ANSYS LS-DYNA, Excel, Delphi, Delcam, а также разработанных оригинальных программных продуктов.

Достоверность и обоснованность научных результатов обеспечиваются применением классических законов механики, научно обосно­ван­ными допущениями и граничными условиями при математической постановке задач контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей, подтверждаются сходимостью экспериментальных данных с результатами теоретических исследований и моделирования процесса обработки методом конечных элементов, а также практической реализацией технологии ЦПО в производственных условиях.

Научная новизна:

1) разработана система проектирования операционной технологии на основе имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей, направленная на рациональное достижение заданных показателей качества поверхностного слоя;

2) создана математическая модель движения загрузки в контейнерах с планетарным вращением, учитывающая сопротивление технологической жид­кости; установлено, что оно оказывает существенное влияние на скорости взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей при варьировании режимов обработки в эффективном для упрочнения металла диапазоне;

3) установлены связи контактного деформационного взаимодействия рабочих тел в виде стальных шаров и деталей с глубиной упрочнения и шероховатостью обработанной поверхности, на основе которых определяются рациональные режимы и длительность цикла ЦПО.

Практическая ценность работы:

1) предложена методика и разработано технологическое оснащение для определения прочностных характеристик тонких поверхностных слоев металла, необходимых для моделирования контактного деформационного взаимодействия;

2) разработаны рекомендации для назначения режимов обработки, обеспечивающих стабильное достижение необходимых показателей качества поверхностного слоя;

3) разработана и внедрена система рационального автоматизированного проектирования операционной технологии ЦПО на основе имитационного моделирования процесса, которая позволяет назначать рациональные режимы и оптимизировать длительность цикла ППД деталей из различных материалов.

На защиту выносятся:

1) система проектирования отделочно-упрочняющей ЦПО для оптимизации технологических режимов, обеспечивающих заданные показатели качества поверхностей деталей;

2) математические модели движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением с учетом сопротивления технологической жидкости для определения динамических характеристик шаров и обрабатываемых деталей при варьировании режимов обработки;

3) методика имитационного моделирования контактного взаимодействия рабочих тел и поверхностей деталей для определения показателей качества поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке;

4) математическая модель формирования шероховатости поверхности после деформационного воздействия стальными шарами, учитывающая физико-механические свойства материала обрабатываемых деталей и технологические параметры ЦПО;

5) результаты экспериментальных исследований качества поверхностного слоя обработанных деталей.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко» (г. Заречный Пензенской области) и ООО «Ладья» (г. Пенза). Достигнуты стабильное увеличение глубины упрочненного слоя и снижение шероховатости поверхности на труднодоступных участках деталей при повышении производительности обработки. Годовой экономический эффект составил 325 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Пенза, 2008), III и IV Международных научно-практических конференциях «Системы проектирования, моделирования, подготовки производства и управление проектами CAD/CAM/CAE/PDM» (Пенза, 2009, 2010), Международных научно-прак­тических конференциях «Формообразование и обеспечение качества техногенных систем» (Пенза, 2009, 2010), Международной научно-практи­ческой конференции «Ресурсы модернизации страны: творческая личность и изобретательство» (Пенза, 2011), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2011), Международной научно-технической конференции «Современные компьютерные технологии фирмы Delcam в науке, образовании и производстве» (Самара, 2011), IV Международной научно-тех­нической конференции «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиа­двигателестроении» (Рыбинск, 2012), X Международной научно-ме­тодической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе» (Пенза, 2012), ежегодных научных конференциях профессорско-препо­давательского состава Пензенского государственного университета (Пенза, 20082012).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 18 статей (четыре статьи без соавторов), из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; получены два свидетельства о регистрации электронных ресурсов DSF и CPOUO.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, включает 148 страниц текста, 95 рисунков, 16 таблиц, 11 приложений; список литературы содержит 105 наименований.





СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор работ по объемной упрочняющей обработке, рассмотрены существующие имитационные модели отделочно-упрочняющих процессов гранулированными средами, показана перспективность использования современных методов моделирования для определения показателей качества поверхности на основе контактного взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми деталями.

Особенности формирования показателей качества поверхностного слоя при упрочняющей обработке исследованы Д. Д. Папшевым,
Ю. Г. Проскуряковым, Э. В. Рыжовым, А. Г. Сусловым, Д. Л. Юдиным,
В. М Сорокиным и др., а взаимосвязь эксплуатационных свойств деталей с характеристиками качества поверхности и технологического обеспечения шероховатости поверхности раскрыта в работах Н. В. Демкина, В. С. Комбалова, И. В. Крагельского, М. М. Тененбаума, а также зарубежных ученых: Ф. П. Боудена, Д. Табора, Д. Мура и др.

Существенный вклад в развитие технологии объемной упрочняющей обработки деталей внесли такие ученые, как А. П. Бабичев, А. П. Сергиев, М. А. Тамаркин, Ю. В. Димов, А. Н. Мартынов, В. О. Трилисский, В. З. Зверовщиков и др.

Перспективным способом повышения качества поверхностей де-талей, преимущественно сложной конфигурации, является ЦПО в контейнерах с планетарным вращением, которая отличается высокой ин-тенсивностью за счет действия на рабочую загрузку инерционных,
преимущественно центробежных, сил, многократно превышающих силу тяжести.

Сокращение сроков подготовки производства при использовании на финишных операциях объемной обработки требует достижения стабильных результатов без экспериментальной отработки технологических режимов. Наиболее эффективно подобные задачи решаются методами имитационного моделирования. Для моделирования различных способов об­работки, включая ЦПО, созданы компьютерные программы, основанные на математическом описании движения и взаимодействия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей для определения качественных характеристик поверхностного слоя.

В известных имитационных моделях при моделировании движения рабочей загрузки в контейнерах с планетарным вращением не учитывалось наличие технологической жидкости в контейнере, а для водопадного режима движения уплотненной загрузки принималось допущение, что рабочие тела после отрыва от стенки контейнера движутся прямолинейно и равномерно. Также не учитывались инерционные силы от переносного вра­щения водила, действие которых позволяет повысить стабильность обработки путем циклического разрушения застойной зоны.

Показана актуальность исследований по совершенствованию отделочно-упрочняющей ЦПО поверхностей деталей. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе приведено математическое описание сложного движения рабочей загрузки в контейнере с планетарным вращением при переносном вращении водила с учетом сопротивления технологической жидкости. Определены кинематические и динамические характеристики вза­имо­действия рабочих тел с обрабатываемыми поверхностями деталей, которые влияют на физико-механические показатели поверхностного слоя и топографические параметры поверхности. На рис. 1 приведена схема способа обработки.

Рис. 1. Схема способа обработки

Показано, что переносное вращение с угловой скоростью 3 водила 1, несущего контейнеры 2, приводит к разрушению застойной зоны 4
(рис. 2) центробежными силами, действующими вдоль оси контейнера, что создает благоприятные предпосылки для повышения стабильности обработки деталей. Сложная винтовая траектория движения рабочей загрузки в контейнере позволяет стабилизировать качество поверхности на труднодоступных участках профиля деталей сложной формы.

Рис. 2. Схема разделения рабочей загрузки на зоны
при водопадном режиме движения:

1 – безотрывная зона; 2 – зона летящих шаров;
3 – переходная зона; 4 – застойная зона

Найдем граничное условие перехода рабочих тел уплотненной загрузки из безотрывной зоны 1 в зону полета 2. Определим проекции силы тяжести Fт и центробежной силы F3 от переносного движения контейнера с водилом с угловой скоростью 3 на плоскость сечения, пер­пенд­и­ку­лярного оси контейнера (рис. 3). Это позволит учесть влияние переносного вращения водила со скоростью 3 на движение рабочих тел (шаров). Движение произвольного шара Мmn массой mmn, находящегося в безотрывной зоне при водопадном режиме движения загрузки, можно описать уравнением

где mmn – масса n-го шара, находящегося в m-м слое рабочей загрузки;
R1 – радиус водила; R2 – радиус контейнера; R3 – радиус переносного движения водила; Rm – радиус-вектор слоя m твердотельной загрузки;
mn – угол поворота mn-го шара относительно оси водила; t – произвольный момент времени; g – ускорение свободного падения; , , – угловые параметры; 1, 2, 3 – угловые скорости вращения водила, контейнера и переносного вращения водила соответственно.

Решая уравнение (1) численным методом, найдем угол поворота mn, при котором произойдет отрыв шара Мmn от стенки контейнера при варьировании угловых скоростей сложного вращения контейнера. Это позволит определить координаты и скорость шара Мmn в момент отрыва от стенки контейнера.

 Схема сил, действующих на-6

Рис. 3. Схема сил, действующих на произвольную частицу Мmn
уплотненной загрузки в безотрывной зоне

Уравнения движения шаров и обрабатываемого тела после отрыва
от стенки контейнера (рис. 4) с учетом сопротивления жидкости представим в виде

, (2)

, (3)

где , – сила сопротивления технологической жидкости движению шара и обрабатываемого тела соответственно; , – сила тяжести, действующая на шары и обрабатываемое тело соответственно;
– ускорение движения; mmn – масса произвольного шара; mт – масса обрабатываемого тела (детали).

Рис. 4. Схема сил, действующих на частицы
и обрабатываемое тело в зоне полета после отрыва от стенки контейнера

Определив проекции сил сопротивления и движению шаров и обрабатываемого тела и сил тяжести и на координатные оси x и y, преобразуем уравнения (2) и (3) в проекции на ось x к виду

(4)

(5)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.