Теоретическое обоснование, исследование и разработка технологии резания с нагревом и пластическим деформированием обрабатываемого металла

Экз. № _

На правах рукописи

Котельников Владимир Иванович

Теоретическое обоснование, исследование и разработка технологии резания с нагревом
и пластическим деформированием обрабатываемого металла

Специальность:

05.03.01.«Технологии и оборудование

механической и физико-технической обработки»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва

2009

Работа выполнена в Нижегородском высшем военно-инженерном командном училище

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Сорокин Виталий Матвеевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Рыкунов Александр Николаевич

Доктор технических наук, профессор Матвеев Юрий Иванович

Доктор технических наук, профессор Эстерзон Михаил Абрамович

Ведущая организация: ОАО «Завод «Красное Сормово» (г. Н.Новгород)

Защита состоится «11» июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520.002.01 в ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков» (ОАО «ЭНИМС») по адресу: 119991, г. Москва, 5-й Донской проезд, 15, строение 8 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков» (ОАО «ЭНИМС»)

Автореферат разослан 2009 г.


Ученый секретарь диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент В.М.Гришин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Лезвийная обработка конструкционных материалов (углеродистых, легированных и др. сталей) занимает значительное место в практике машиностроительного производства. При этом актуальными задачами остаются не только повышение производительности механообработки, стойкости инструмента, повышения качества обработанной детали, но и создание новых направлений в теории и практике резания при обработке специальных деталей после сварки, наплавки и напыления, когда обработка в условиях традиционных производственных технологий невозможна. А также в условиях малых предприятий и ремонтного производства в специфических условиях, в том числе военно-полевых.

В рыночных условиях экономического кризиса и спада производства в промышленности поиск и внедрение новых нетрадиционных и перспективных способов резания металла с тугоплавкими покрытиями, позволяющих значительно повысить производительность механической обработки, произвести обработку продукции со специфическими свойствами и параметрами, при наименьших материальных затратах, с использованием минимального количества рабочих и оборудования, является первоочередной задачей, и особенно актуально - без применения дорогостоящего технологического оборудования и режущих инструментов.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с договорными работами кафедры «Базовые машины» Нижегородского Высшего инженерно-командного училища (НВВИКУ), с ремонтными предприятиями воинских частей и Горьковской железной дороги.

Цель работы.Разработать комплексный метод резания металла с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности детали, обеспечивающий значительное снижение усилий резания и исключающий применение для обработки традиционного режущего инструмента.

Решаемые задачи.

  1. Исследование физических процессов и основных закономерностей резания металла с нагревом и пластической деформацией нагреваемой поверхности.

2.Разработка научно обоснованной методики выбора режимов резания, создание режущего инструмента, приспособлений и условий для реализации комплексного метода резания металлов с нагревом и пластической деформацией.

3.Определение области применения комплексного метода резания металла.

4.Разработка производственной технологии обработки сложных деталей машиностроения (ступенчатых наплавленных валов, сварных изделий и деталей с напылением и пр.) точением с нагревом и пластическим деформированием для основного производства и ремонтных условий.

Методы исследования.Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретическая часть базируется на основных положениях классической теории резания, технологии машиностроения, законах теплофизики металлов, теории пластической деформации и кристаллографии.

Теоретические исследования подтверждены многочисленными экспериментами в лабораторных и производственных условиях и обработаны методиками с применением современных металлографических методов и высокоточной измерительной аппаратуры.

Достоверность и обоснованность теоретических выводов подтверждена данными, полученными лично соискателем. Результаты исследований, выводы и предлагаемые технические решения подтверждаются патентами на изобретения и полезные модели, прошли производственную проверку, а также внедрены в производство и в учебный процесс ВУЗов.

Научная новизна работы.

1.Выявлены, исследованы и систематизированы физические процессы в зоне резания при обработке ответственных восстановленных деталей из стали –

с нагревом и пластической деформацией обрабатываемых поверхностей.

2.Разработан математический аппарат для реализации метода комплексной обработки металла с нагревом и пластической деформацией.

3.Выведены математические зависимости теплопередачи при резании металла методом комплексной обработки.

4.Разработаны теоретические основы расчета температуры при резании и математические закономерности для управления тепловым потоком.

5.Исследована и апробирована технология обработки металлов методом комплексной обработки, а именно, определены технические требования к оборудованию, инструменту и приспособлениям для реализации нового метода обработки резанием с подогревом поверхности.

Практическая ценность работы.

1.Разработана научная методика выбора режимов резания металла с нагревом и пластической деформацией, учитывающая конкретные условия производства и конфигурацию нагруженных ответственных деталей.

2.Режимы резания, выбранные по разработанной методике, позволяют получать качество обработанной поверхности, соизмеримой с обработкой традиционными методами без применения дорогостоящих инструментов с пластинами СТМ с покрытиями.

3.Разработанный и внедренный в производство комплексный метод обработки металла с нагревом и деформацией обеспечивает значительное снижение вибраций системы СПИД (за счет снижения усилий резания) и значительное повышение производительности и стойкости режущего инструмента.

4.Создание мобильных средств ремонта на базе комплексного метода интенсифицирует восстановление работоспособности техники в чрезвычайных условиях (полевых, военных и др.)

5.Комплексный метод обработки резанием с нагревом и пластической деформацией позволил реализовать обработку сложных специфических закаленных деталей со сварными швами и напылением.

6.Разработанный метод обработки металлов с нагревом является эффективным решением технических проблем при обработке соответствующих типов деталей.

Реализация результатов работы.

Выполненные разработки внедрены:

- в практику восстановительных работ при ремонте боевой техники в двух ремонтных подразделениях воинских частей, в железнодорожной ремонтной мастерской Горьковской железной дороги – для восстановления несущих валов (осей) вагонного состава.

- в учебный процесс (Акты внедрения прилагаются) в виде изданного учебного пособия.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 29 научно-технических конференциях (Международных, республиканских и региональных), проведенных в городах: Н.Новгороде, Рыбинске, Пензе, Оренбурге, Харькове, Ростове на Дону, Брянске, Омске, Тольятти, Днепропетровске и Санкт-Петербурге. Результаты исследований применены в лекционных материалах по курсу «Основы ремонтного производства». Основы технологии резания с нагревом включены отдельной главой в изданное учебное пособие по курсу «Основ ремонтного производства».

Работа обсуждена на заседании ученого совета НВВИКУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы издана одна монография и опубликовано 62 печатные работы, включая 8 изобретений, 8 статей в отечественных журналах ВАК, 44 публикации в межвузовских сборниках, а также в виде тезисов и докладов на конференциях, включая международные и российские.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 323 страницах, состоит из введения и шести глав, включающих 74 таблицы и 237 рисунков, основных выводов, списка использованной литературы из 161 наименования, содержит 279 страниц основного текста и приложения на 44 страницах.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1.Теоретическое обоснование использования в серийном и ремонтном производствах высокоэффективного комплексного метода резания металлов с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности нагруженных ответственных деталей тяжелой техники, после сварки и наплавления.

2.Разработка научно обоснованной методики выбора режимов резания, нагрева и накатывания при реализации комплексного метода обработки с учетом выполнения технических требований к обрабатываемой детали.

3.Создание режущего инструмента и необходимой оснастки для реализации комплексного метода резания металла с нагревом и пластической деформацией обрабатываемой поверхности.

4.Разработка технологии обработки металла комплексным методом в типовых производственных условиях машиностроительных предприятий и при ремонте особо сложных деталей в полевых и других специфических условиях.

5.Экономическая эффективность комплексного метода резания с нагревом, в том числе в полевых условиях, на базе установленного в подвижных мастерских сварочного и металлообрабатывающего оборудования.

6.Результаты воздействия комплексного метода обработки на качество и точность обрабатываемой поверхности.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, задачи и основные положения, выносимые на защиту, представлены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе приводится: обзор современного состояния теории резания металла, формообразования поверхности валов при обработке точением, анализ различных аспектов повышения производительности и качества обрабатываемой поверхности. Даются особенности резания трудно деформируемого, наплавленного и сварного металла, стойкости режущего инструмента при их обработке, в том числе импортного с пластинами из спеченых материалов. Анализируются методы резания металла с нагревом и области их применения. Приводится обзор применения в промышленности методов и особенностей поверхностно-пластического деформирования металла.

Большой вклад в изучение проблем обработки металла резанием внесли отечественные ученые А.А. Аваков, С.В. Грубый, А.М. Даниелян, Д.Г. Евсеев, Н.Н. Зорев, А.И. Исаев, Б.А. Кравченко, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макаров, П.Г. Петрухи, А.В. Подзей, В.Н. Подураев, Н.Н. Резников, Н.Н. Рыкалин, Н.С. Рыкунов, С.С. Силин, В.К. Старков, Н.В. Таланов, Я.Г. Усачев, М.А. Шатерин, А.В. Якимов, П.И. Ящерицын и др. В методику исследований и применение в промышленности ППД металла внесли свой вклад Д.Д. Папшев, А.Д. Томленов, В.М. Смелянский, В.М. Сорокин и др. Ряд работ зарубежных ученых Е.М. Трента, Ч. Хикса, Е.Тарберта, Х. Такеяма, К.Триггера, Е.Усуи и др. по этой тематике дополняют проведенные исследования.

В результате анализа литературных источников и проведенного патентного поиска показано, что применение нагрева является эффективным направлением интенсификации процессов лезвийной и поверхностно-пластической обработки металла. Отмечается, что важнейшими факторами, ограничивающими производительность и качество обработки, является характер деформации металла и износ режущего инструмента.

На основе результатов проведенного анализа сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

Во второй главе представлено теоретическое обоснование механической об-работки металла с нагревом и ППД, включающее: теоретические положения по изменению структуры и свойств металла при нагреве с точки зрения ме-талловедения и физики металлов, физическое моделирование резания металла с соблюдением критериев геометрического и теплового подобия, общие сведения по теории резания металла и нагрева точечным тепловым источником.

При разработке комплексного метода обработки металла было предложено ввести дополнительное количество энергии в виде тепла в деталь при токарной обработке поверхностей, а отделочные операции шлифования заменить накатыванием нагретой поверхности детали охлаждаемым водой роликом.

Для промышленного использования резания с нагревом предложен и рассмотрен нагрев заготовки токами высокой частоты и режущий инструмент с внутренним водяным охлаждением.

Подвод энергии в виде тепла резко меняет процесс пластического сдвига металла в корне стружки при резании. Это связано, прежде всего, с изменением прочности металла при нагревании и повышением пластических характеристик нагретого металла, что приводит к снижению усилия резания. Исследованиями А.Н. Резникова, М.А. Шатерина и других ученных было показано, что при нагреве усилие резания Pz уменьшается в широком диапазоне, в зависимости от химического состава стали и режимов резания.

С целью исследования процессов стружкообразования при резании с нагревом была разработана физическая модель, отвечающая критериям подобия (Ho=wх τ / l –гомохронности (Струхаля), Fr =w²/ gхl- критерию Фруда и Eu =p / ρ w² - критерию Эйлера), где в качестве обрабатываемого материала был использован замороженный до -10ºC парафин. В качестве основного критерия подобия модели в целом служит масштаб (l1 : l2).

Д

5

6

V

ля проведения экспериментов была изготовлена специальная установка с двумя направляющими, по которым перемещался резец. Поверхность металла моделировалась охлажденным парафином. Экспериментальная установка снабжалась динамометром для замера усилия перемещения резца по направляющим при резании парафина. Врезание режущего инструмента зависело от силы веса резца G. Лезвие резца изготовлено съёмным. Оно устанавливалось на резец под различными углами к поверхности парафина. В результате эксперимента была установлена зависимость влияния на процесс образования стружки увеличения угла γ режущего инструмента (см. рмс.1.).

Pz

* *

Pz max * *

*

* Pz=f(γ)

* *

*

*

*

0 10 20 30 40 50 60 70 γ



  1. Тема Кристаллическое строение металла (1)

    Документ
    положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления; с повышением температуры электрическое сопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверх -проводимостью;
  2. Тема Кристаллическое строение металла (2)

    Документ
    Все металлы и металлические сплавы - тела кристаллические, атомы (ионы) расположены в металлах закономерно в отличии от аморфных те в котором атомы расположены хаотично.
  3. Разработка методики анализа нагруженности вагонов-хопперов от действия сыпучего груза серпик И. Н., Сологубов Е. А

    Документ
    The methods of research of static and dynamic behavior of the granular materials are developed in the paper. Represented procedure allows to raise survivability of the hopper cars on phases of their designing and perfection.
  4. Учебно-методический комплекс дисциплины «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» Для специальности

    Учебно-методический комплекс
    Материаловедение. Технология конструкционных материалов :Материаловедение Роль материала и его характеристик в обеспечении эксплуатации изделий; основные понятия о механических, физических, химических свойствах, технологических и эксплуатационных
  5. Разработка программы маркетинга по продукту 18 2 Анализ рыночных возможностей 18

    Реферат
    Главные направления развития чёрной металлургии на современном этапе – снижение металлоёмкости изделий из проката и повышение коэффициента использования металла.
  6. Конспект лекций по теме: «Материаловедение» для специальности 120100 "Технология машиностроения" (Объем лекций 80 часа)

    План-конспект
    Материаловедение относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во
  7. Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения

    Лекция
    Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами.
  8. Материаловедение. Особенности атомно-кристаллического строения металлов (1)

    Лекция
    Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях.
  9. Материаловедение. Особенности атомно-кристаллического строения металлов (2)

    Лекция
    Материаловедение - это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.

Другие похожие документы..