Введение
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования.
Повышение точности расчетов при проектировании современных технологических процессов требует обоснованного учета триботехнических характеристик контакта «инструмент-обрабатываемая деталь», в значительной степени определяющихся используемыми смазочными средами. Выбор смазывающе-охлаждающей технологической среды (СОТС) должен производиться с учетом специфики конкретной операции, используемого оборудования, геометрии заготовки и инструмента, обрабатываемых и инструментальных материалов, и в строгом соответствии с режимами обработки. Все это требует углубленного изучения триботехнических процессов в паре трения «инструмент — обрабатываемая деталь».
Большой вклад в изучение проблемы трения и изнашивания трибосопряжений и разработку методов повышения сроков службы машин и оборудования внесли отечественные ученые Буше Н.А., Гаркунов Д.Н., Горячева И.Г., Дроздов Ю.Н., Колесников В.И., Крагельский И.В., Матвеевский P.M., Михин Н.М., Сорокин Г.М., Хрущов М.М., Чичинадзе А.В., Семенов А.П. и др.
Важные исследования по разработке и изучению влияния СОТС на трение и изнашивание технологического инструмента при металлообработке проведены в работах Белосевича В.К., Берлинера Э.М., Гордона М.Б., Исаченкова Е.И., Клушина М.И., Латышева В.Н., Леванова А.Н. и др.
Однако, несмотря на значительные исследования, выполненные отечественными и зарубежными учеными по разработке СОТС и изучению их влияния на процессы трения и изнашивания, в технической и научной
9
литературе практически отсутствуют данные о комплексных исследованиях триботехнических характеристик СОТС, полученных с учетом многообразия сочетаний способов и режимов металлообработки, при которых они применяются.
Исторически сложилось так, что для триботехнических испытаний смазочно-охлаждающих технологических сред, применяемых при металлообработке, используются те же методики и испытательные стенды, что и для исследований смазочных материалов, используемых в узлах трения деталей машин. Как показывает практика, результаты этих испытаний не всегда коррелируются с результатами, полученными на реальном производственном оборудовании. Это объясняется тем, что схемы и условия трения в узлах деталей машин и в контакте «инструмент-обрабатываемая деталь» существенно отличаются. Если в узлах трения деталей машин давления в трущихся парах находятся в пределах упругих деформаций (упруго-пластических на микронеровностях поверхности), то при обработке металлов реализуются давления пластических деформаций основного объема металла (обработка давлением) и разрушения (лезвийная и абразивная обработка). Поэтому окончательный вывод об эффективности применения смазочной среды на технологической операции и оптимизация режимов обработки производятся, как правило, на основании экспериментальных результатов, полученных на производственном оборудовании, что в условиях действующего производства является крайне дорогостоящим и трудоемким процессом.
Отсутствие научно обоснованных методов определения триботехнических характеристик и выбора СОТС с учетом сочетания способов и режимов металлообработки существенно сдерживает как разработку новых СОТС, так и развитие новых технологий.
Таким образом, создание методологии определения триботехнических свойств СОТС и выбора смазочных материалов с учетом сочетания методов и режимов металлообработки на стадии проектирования технологического
10
процесса является актуальной задачей как с научной, так и с практической точек зрения.
Наибольший интерес эта работа представляет для условий массового производства, где факторы, непосредственно зависящие от триботехнических характеристик СОТС (энергозатраты, стойкость инструмента, качество обработанной поверхности, производительность оборудования), наиболее существенно влияют на себестоимость и качество изделий. Особенно это касается, в частности, производства крепежных деталей, у которых велико отношение площади обрабатываемой поверхности к объему детали и высоки требования к точности геометрических размеров и механическим свойствам рабочих поверхностей.
Работа выполнялась в рамках научно-технических программ:
• поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школы (приказ Госкомитета по ВО РФ №72 от 09.07.93 г.);
«трансферные технологии, комплексы и оборудование в химии (приказ Минобразования РФ №270 от 26.02.97 г.; указания №91-16);
• малотоннажные химические продукты, технические составы, реактивы и особо чистые химические вещества (указание Минобразования №747-19 от 22.12.97 г.).
Цель работы - разработка методологии определения триботехнических характеристик пары трения «инструмент-деталь» и выбора смазочной среды при проектировании технологических процессов и реализация её для снижения себестоимости и повышения качества в производстве крепежных деталей.
Исходя из цели работы, для ее реализации были поставлены следующие задачи исследований:
1. Разработать комплексную методологию определения триботехнических характеристик и выбора специальных композиций СОТС для операций механической обработки деталей машин, учитывающую методы и режимы
11
обработки, эксплуатационные и технологические требования современного производства к технологическим средам.
2. Обосновать сочетание технологических методов, режимов обработки и триботехнических характеристик специальных композиций СОТС:
•специальных технологических смазочных материалов (СТСМ), которые совместно с механической обработкой поверхности (без нанесения подсмазочных покрытий) обеспечат снижение коэффициентов трения по отношению к фосфатированной и омыленной заготовке на операциях волочения и калибрования;
• специальных технологических (СТ) СОЖ, обеспечивающих высокие триботехнические характеристики при многократном увеличении скорости резьбообработки пластическим деформированием и повышение качества поверхности витков резьбы;
• полифункциональных СОТС — консервационно-технологических смазочных материалов (КТСМ), которые в отличие от товарных консервационных масел имеют высокие триботехнические (противозадирные, антифрикционные и противоизносные) свойства, что позволит совместить операции металлообработки и консервации деталей.
3. Провести исследования триботехнических и эксплуатационных свойств специальных СОТС (СТСМ, СТ СОЖ и КТСМ), с целью определения наиболее рациональных режимов и областей их применения.
4. Разработать маршрутную технологию изготовления крепежных деталей, реализующую резервы повышения производительности труда и качества изделий, а также снижения себестоимости на операциях подготовки поверхности подката под волочение и калибрование, резьбообработки и консервации деталей за счет научно обоснованного сочетания режимов обработки и триботехнических характеристик применяемых СОТС.
5. Осуществить опытно-промышленную апробацию специальных СОТС и технологических решений в реальных производственных условиях.
12 Научная новизна.
1. Создано научно-методическое обеспечение определения триботехнических характеристик пары трения «инструмент-деталь» и выбора СОТС при проектировании технологических процессов, включающее:
«комплекс методик и оборудования для физического моделирования фрикционного контакта инструмента и заготовки в типовых технологических операциях металлообработки;
• математическое моделирование, которое позволяет оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) зоны обработки и адгезионную составляющую силы трения с учетом применяемых СОТС;
• технико-экономические критерии обоснования специальных композиций СОТС.
2. Обоснованы сочетания технологических методов, режимов обработки и триботехнических характеристик специальных композиций СОТС:
• СТСМ, которые в сочетании с дробеструйной обработкой подката создают при волочении и калибровании приповерхностный слой, способный своим триботехническим свойствам заменить фосфатирование заготовок;
• СТ СОЖ, обеспечивающих снижение коэффициента трения между инструментом и заготовкой при увеличении скорости резьбообработки пластическим деформированием в пределах технических возможностей оборудования;
«КТСМ, обладающих наряду, с антикоррозионными свойствами, высокими триботехническими характеристиками (противозадирными, антифрикционными и противоизносными) на наиболее тяжелонагруженных операциях обработки металлов резанием и давлением.
3. Установлены функциональные связи выходных параметров механообработки (производительности, энергозатрат, качества обработки и
13
т.п.) с технологическими режимами и триботехническими свойствами специальных СОТС: СТСМ — при волочении и калибровании подката после дробеструйной обработки; СТ СОЖ - при резьбообразовании бесстружечным метчиком; КТСМ — при совмещении операций металлообработки и консервации.
Методы и объекты исследования. Для решения поставленных задач использовались результаты физического и математического моделирования фрикционного контактного взаимодействия «инструмент-обрабатываемая деталь». При физическом моделировании определялись триботехнические характеристики СОТС на установках, реализующих условия фрикционного контакта типовых технологических операций. При математическом моделировании использовались программно-вычислительные комплексы (ПВК) ANSYS 5.7. и LS-DYNA 3D, позволившие оценить напряженно-деформированное состояние (НДС) технологической зоны обработки при волочении подката и выдавливании резьбы метчиками и силы деформирования с учетом применяемых СОТС.
Совместный анализ результатов физического и математического моделирования позволил определить фактические значения коэффициентов трения, соответствующие заданным сочетаниям СОТС, способов и режимов металлообработки. Оценка физико-химических свойств СОТС осуществлялась по известным стандартным методикам. В специально разработанной камере соляного тумана и климатической камере исследованы защитные свойства СОТС против коррозии. Определение прочности резьбовых соединений выполнялось на разрывных машинах Р-5 и Р-20.
Анализ экспериментальных результатов выполнен с применением математической статистики.
Оптимизация триботехнических, технологических и защитных характеристик композиций КТСМ производилась путем постановки полного факторного эксперимента методом крутого восхождения.
14
В качестве объектов исследования выбраны характеристики фрикционного контакта пары трения «инструмент-заготовка» в типовых операциях производства крепежных деталей.
Достоверность полученных результатов работы обосновывается:
- применением при математическом моделировании хорошо апробированного численного метода анализа - метода конечных элементов;
- применением современного экспериментального оборудования;
- систематическим метрологическим контролем точности измерительных приборов;
- применением апробированных методов оценки физико-химических, защитных, триботехнических и функциональных свойств технологических сред;
- применением независимых методов оценки исследуемого параметра;
- сопоставлением экспериментальных исследований с данными теоретического анализа;
- сравнением полученных результатов с результатами аналогичных или близких постановок и решений отечественных и зарубежных авторов.
Достоверность новизны технических решений подтверждается авторскими свидетельствами и патентами РФ.
Практическая ценность результатов.
Предложенная методология определения триботехнических характеристик и выбора СОТС с использованием ПВК ANSYS 5.7. и LS-DYNA 3D позволяет оценить напряженно-деформированное состояние и коэффициенты трения в процессе волочения подката и выдавливания резьбы в заготовках бесстружечными метчиками с учетом реальной формы инструмента, элементов режима обработки и влияния применяемых технологических смазочных материалов. В результате стало возможным осуществлять достаточно быстро и с необходимой точностью вариантные расчеты и, в конечном итоге, - обоснованный выбор СОТС.
15
Разработана, прошла промышленную апробацию и внедрена в массовое производство технология подготовки поверхности подката под волочение и калибрование, в которой за счет применения специальных СТСМ в сочетании с дробеметной обработкой удалось получить более низкий коэффициент трения, чем при традиционно используемом фосфатировании, что позволило исключить из производства применение соляной кислоты и девяти переходов фосфатирования заготовок.
Внедрена в производство специальная композиция СТ СОЖ, триботехнические характеристики которой сохраняются при увеличении скорости резьбообразования бесстружечным метчиком и повышается качество поверхности резьб на гайках.
Предложенные в работе полифункциональные КТСМ обеспечивают высокие триботехнические характеристики на наиболее нагруженных операциях обработки металлов давлением и резанием, что позволяет совмещать операции металлообработки и консервации деталей и исключить из технологического маршрута дополнительные операции обезжиривания, сушки, нанесения защитных составов при одновременном повышении качества обработанной поверхности и эффективности защиты изделий от атмосферной коррозии.
Реализация результатов работы.
Технологические линии бескислотной подготовки поверхности подката под волочение и калибрование внедрены на заводах: «Автонормаль» (г. Белебей) и «Красная Этна» (г. Нижний Новгород).
Новые СОТС (53 наименования) освоены в серийном производстве на ЗАО «Опытный завод смазок и оборудования» (ЗАО «ОЗСО», г. Уфа) и выпускаются в объеме 2,5 тыс. тонн в год. Они внедрены и используются в промышленном производстве на всех автозаводах России, крупнейших металлургических комбинатах, трубных заводах и машиностроительных
16
предприятиях России и СНГ. Всего потребителями этой продукции являются более 500 предприятий.
Комплексные методики исследований триботехнических характеристик технологических сред используются при проведении научно-исследовательских работ в лабораториях Хозрасчетного творческого центра Уфимского авиационного института (ХТЦ УАИ) и Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ). Отдельные методики испытаний используются в лабораториях предприятий-потребителей на входном и эксплуатационном контроле технологических сред.
Полученные результаты используются в учебном процессе УГАТУ.
Автор выносит на защиту;
- методологию определения триботехнических характеристик и выбора смазочной среды при проектировании технологических процессов, заключающуюся в физическом и математическом моделировании типовых операций металлообработки и определении коэффициентов трения, с учетом их зависимости от материалов и геометрических характеристик пары трения «инструмент-обрабатываемая деталь», условий контактного взаимодействия и химической природы смазочного материала.
- разработанные сочетания технологических методов, режимов обработки и триботехнических характеристик специальных композиций СОТС:
• СТСМ, обеспечивающие совместно с дробеструйной обработкой заготовки более низкий коэффициент трения при волочении горячекатанного подката из углеродистых и борсодержащих сталей, чем при использовании традиционной технологии, включающей фосфатирование и омыливание заготовок, что позволяет исключить из технологического маршрута изготовления крепежных деталей использование соляной кислоты и девяти переходов экологически неблагоприятной операции фосфатирования;
17
• СТ СОЖ, триботехнические характеристики которых с повышением скорости резьбообработки при выдавливании внутренних резьб (в пределах реальных технических возможностей станков и их обслуживания) не ухудшаются;
«KTCM, не уступающие по своим антикоррозионным характеристикам современным консервационным маслам и обеспечивающим коэффициент трения и износ инструмента при механообработке, соответствующие уровню высокоэффективных технологических смазочных материалов;
- установленные функциональные связи выходных технологических параметров от типа и условий применения СОТС:
• силы волочения подката от кинематической вязкости СТСМ и температуры в очаге деформации (показано, что наименьшие коэффициенты трения в процессе бесфосфатного волочения с обжимом до 20% достигаются при вязкости СТСМ 30-40 сСт и скорости волочения 40-60 м/мин);
• технологические режимы выдавливания резьбы в гайках метчиками, обеспечивающие при применении СТ СОЖ повышение производительности обработки более чем в два раза и улучшение качества резьбообработки (снижение энергозатрат в 1,4 раза, шероховатости поверхности с Ra 2,5...6 мкм до Ra 1,2...2,2 мкм; увеличение времени до появления признаков коррозии на обработанных поверхностях в 10-40 раз);
• установленные функциональные связи между силой трения, износом инструмента при металлообработке и антикоррозионными свойствами обработанной поверхности, - с одной стороны, и композиционными составами консервационных и технологических смазочных материалов, - с другой;
- бескислотную технологию подготовки поверхности подката под волочение и калибрование; технологические режимы на операции

Получить работу