Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Калита Евгений Георгиевич
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА токарной обработки полимерных материалов на основе предварительного обкатывания заготовки
Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической
и физико-технической обработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Комсомольск-на-Амуре - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тихоокеанский государственный университет ( г. Хабаровск)
Научный руководитель | доктор технических наук, профессор Еренков Олег Юрьевич |
Официальные оппоненты | Ким Владимир Алексеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО КомсомольскийЦ на - Амуре государственный технический университет, заведующий кафедрой Материаловедение и технологии новых материалов |
Куц Вадим Васильевич кандидат технических наук, доцент Юго-Западный государственный университет, доцент кафедры Управление качеством, метрология и сертификация | |
Ведущая организация | ФГБУН Институт проблем нефти и газа СО РАН (г. Якутск) |
Защита состоится л25 октября 2012 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27. Факс: 8(4217) 53-61-50; e-mail: mdsov@knastu.ru
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписями, заверенные гербовой печатью организации, просим присылать по указанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.
Автореферат разослан л21 сентября 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, доцент Пронин А.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Развитие современного машиностроения, приборостроения и многих других отраслей промышленности невозможно без применения синтетических полимерных материалов. Это обусловлено тем, что пластические материалы обладают высокой удельной прочностью, превосходящей традиционные конструкционные материалы как стали, чугуны, латуни, бронзы, высокой химической стойкостью и антифрикционной способностью.
Несмотря на очевидные преимущества полимерных материалов, при изготовлении деталей из пластмасс современными методами (литье под давлением, прессование, экструзия) происходит изменение их размерно-геометрических параметров, связанное с усадкой материала во время затвердения и охлаждения, и зачастую не обеспечиваются требуемые параметры качества функциональных поверхностей детали, что приводит к необходимости дополнительной механической обработки, преимущественно токарной, от качества которой в значительной степени зависит надежность и долговечность функционирования деталей и механизмов.
Наличие у полимерных материалов специфичных свойств обуславливает резкое отличие процессов их механической обработки от процессов резания металлов, при этом эффективность методов обработки резанием в основном зависит от режимов обработки и параметров режущего инструмента. Однако на практике имеются большие затруднения с достижением требуемого качества обработанной поверхности деталей из полимерных материалов на основе обычных методов обработки и рекомендуемых в литературе режимов резания.
Таким образом, задача повышения эффективности обработки заготовок из полимерных материалов резанием является актуальной для современного машиностроения, так как ее решение позволит повысить качественные характеристики изготавливаемой продукции и снизить себестоимость ее изготовления.
Актуальность темы диссертации подтверждается выполнением научно-исследовательских работ в рамках грантов Тихоокеанского государственного университета (грант № 3.08. лРазработка и исследование новых комбинированных методов механической обработки полимерных материалов для обеспечения высокого качества обработанной поверхности изделий, грант №01.10 Разработка и изготовление устройства опережающей обработки заготовок из полимерных материалов путем поверхностного деформирования с целью повышения качества обработанной точением поверхности деталей) и по специальному заказу ОАО Дальэнергомаш (договор № 04-03/217/08 от 15 сентября 2008 г. О научно-техническом сотрудничестве между Тихоокеанским государственным университетом и ОАО Дальэнергомаш).
Цель работы - исследование и установление взаимосвязи между режимами резания, параметрами предварительного обкатывания заготовок и геометрическими характеристиками обработанной поверхности деталей для повышения качества токарной обработки полимерных материалов.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Исследование взаимосвязи между параметрами предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов и значениями силы резания при точении.
2. Разработка и обоснование технологического способа обработки заготовок из полимерных материалов, заключающегося в предварительном обкатывании заготовки с последующим точением, реализующемся непосредственно сразу после обкатывания, с целью достижения высокого качества.
3. Проектирование, изготовление и использование в экспериментальных исследованиях специального устройства, конструкция которого позволяет реализовать операцию обкатывания заготовки, непосредственно перед операцией ее точения.
4. Экспериментальное исследование взаимосвязи между режимами токарной обработки полимерных материалов и геометрическими параметрами качества обработанной поверхности деталей с учетом предварительного обкатывания заготовки.
Объект исследования. Процесс механической обработки заготовок из полимерных материалов.
Предмет исследования. Взаимосвязи между параметрами предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов, режимами токарной обработки полимерных материалов и геометрическими параметрами качества обработанной поверхности деталей.
Область исследований. Содержание диссертации соответствует п.2 Теоретические основы, моделирование и методы экспериментального исследования процессов механической и физико-технической обработки, включая процессы комбинированной обработки с наложением различных физических и химических воздействий паспорта научной специальности 05.07.02 - Технология и оборудование механической и физико- технической обработки (технические науки).
Научная новизна работы:
1. Установлены характер изменения силы резания и процесса стружкообразования при точении полимерных материалов после предварительного обкатывания при различных значениях усилия обкатывания заготовок, а именно:
- с увеличением усилия обкатывания заготовок от 0 до 3кН из фторопласта-4, капролона В, гетинакса 1 и текстолита ПТ имеет место снижение силы резания в 1,5-3 раза во всем диапазоне реализуемых подач;
- с увеличением усилия обкатывания заготовок от 0 до 3кН из фторопласта-4 и капролона В происходит трансформация стружки от сливной к стружке скалывания.
2. Разработан и обоснован способ обработки полимерных материалов на основе предварительного обкатывания заготовок и последующим их точением; реализация операции предварительного обкатывания приводит к снижению прочности поверхностного слоя, что является предпосылкой повышения качества в последствии обработанной точением поверхности детали; при этом снижение прочности исходных заготовок подтверждается результатами испытаний на влагопоглощение и прочность при растяжении:
- применение предварительного обкатывания заготовок приводит к снижению прочности при растяжении исследуемых материалов на 8,5-12%;
- применение предварительного обкатывания заготовок обеспечивает повышение влагопоглощения исследуемых материалов на 12-14 %.
3. Впервые получены экспериментальные данные, позволяющие установить взаимосвязь между режимами резания, параметрами предварительного обкатывания заготовки из полимерного материала и такими показателями качества обработанной поверхности как шероховатость, отклонения формы и твердость, а именно:
- применение предварительного обкатывания заготовок из исследуемых материалов обеспечивает снижение уровня шероховатости обработанной поверхности детали по параметру Ra до 2,5 раз, п параметру Rz до 3 раз и по параметру Rmax до 3,7 раз по сравнению с вариантом обычной токарной обработки во всем диапазоне реализуемых значений глубины резания и продольной подачи;
- имеет место некоторое снижение, в пределах 26-33%, таких показателей формы обработанной поверхности как отклонение от круглости и цилиндричности, а отклонения от прямолинейности имеют примерно равные значения независимо от варианта обработки или снижаются незначительно.
Практическая значимость работы заключается:
- в изготовлении и апробации экспериментальной установки для предварительной обработки заготовки путем обкатывания с целью повышения качества обработанной впоследствии точением поверхности детали; конструкция установки защищена патентом на изобретение (№2438872).
- в получении расчетного выражения для определения глубины резания при токарной обработке заготовок из полимерных материалов с учетом явления упругого последействия материала;
- в разработке научно обоснованных рекомендаций по повышению качества обработанной поверхности полимерных материалов путем выбора параметров предварительного обкатывания заготовки, которые внедрены в производственную деятельность ОАО Дальэнергомаш (г. Хабаровск) и ОАО Дальневосточный научно-исследовательский институт технологии судостроения (г. Хабаровск).
ичный вклад автора состоит в постановке задачи исследования, в непосредственном участии в разработке и изготовлении устройства для предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов, в проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных данных, в разработке рекомендаций по выбору режимов резания и параметров предварительного обкатывания заготовок.
Апробация результатов работы:
Основные результаты работы были представлены на международной научно-технической конференции Новые материалы и технологии в машиностроении (г. Брянск, 2008г.); на VI международной научно-технической конференции Динамика систем, механизмов и машин (г. Омск, 2007г.); на VI международной научно-технической конференции Проблемы качества машин и их конкурентоспособности (г. Брянск, 2008г); на международной научно-технической конференции Актуальные проблемы лесного комплекса (г. Брянск, 2007г.); на VI международной научно-технической конференции Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации (г. Курск, 2008г.); на I международной научно-практической конференции Инновации, качество и сервис в технике и технологиях (г. Курск, 2009г.); на совместном российско-китайском симпозиуме Modern materials and technologies (г. Хабаровск, 2009г); на международной конференции с элементами научной школы для молодежи Создание новых материалов для эксплуатации в экстремальных условиях (Якутск, 2009г.); на конференции молодых ученых Материалы III конкурса конференции молодых ученых ТОГУ (Хабаровск, 2010г.); на международной научно-технической конференции Новые материалы и технологии в машиностроении (Брянск, 2010); на совместном российско-китайском симпозиуме л2010 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies (г. Харбин, 2010, 2011, 2012гг.); на XIII краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов Молодые ученые - Хабаровскому краю (Хабаровск, 2011г.).
Результаты исследований легли в основу разработки Способы механической обработки заготовок из полимерных материалов для повышения качества обработанной поверхности, которая удостоена серебряной медали 9-го Московского международного салона инноваций и инвестиций (2009), а также разработки Новая технология механической обработки полимерных материалов, которая удостоена серебряной медали Петербургской технической ярмарки в конкурсе Лучший инновационный проект года (2011).
Публикации. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 20 научных работах, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка используемой литературы и приложений. Диссертация изложена на 132 страницах, включает 58 рисунков и 17 таблиц. Библиографический список составлен из 131 источника наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность, научная новизна исследования, сформулированы цель и задачи, научные положения, выносимые на защиту, отмечена практическая значимость диссертационной работы.
Основу содержания первой главы составляет аналитический обзор современного состояния исследований в области механической и физико-технической обработки полимерных материалов, включающий в себя рассмотрение следующих вопросов:
1. Обзор существующих технологических способов переработки полимерных материалов, результаты которого показывают, что во многих случаях детали высокой точности и повышенного качества могут быть получены только обработкой резанием.
2. Анализ данных экспериментальных исследований влияния конструктивных и технологических параметров процесса резания полимерных материалов на качество обработанной поверхности, результаты которого позволяют оценить воздействие материала и геометрии режущего инструмента, режимов резания на величину микронеровностей; классификация типов стружки и описание механизма стружкообразования при резании различных пластмасс.
Значительный вклад в исследование процессов обработки материалов резанием и показателей качества этого процесса внесли российские и зарубежные ученые: А.А. Бурков, С.В. Биленко, С.А. Васин, А.С. Верещака, В.И. Дрожжин, О.Ю. Еренков, Н.Н. Зорев, А.Г. Ивахненко, Ю.Г. Кабалдин, В.А. Ким, А. Кобаяши, ВА. Кудинов, М. Ф. Полетика, В.Н. Подураев, А.И. Промптов, А.М. Розенберг, М.В. Семко, В.П. Смоленцев, А.Г. Суслов, Г.К. Сустан, В.О. Трилисский, А.М. Шпилев, Б.П. Штучный и др.
3. Современные представления о прочности полимерных материалов анализ содержания которых показывает, что на современном этапе физические представления о прочности полимерных материалов базируются на кинетической концепции прочности, положения которой представлены в работах А.А. Аскадского, Г.М. Бартенева, В.Е. Гуля, В.А. Каргина, С.Н. Журкова, Э.М. Карташова, Г. Кауша, C.Б. Ратнера.
4. Обзор экспериментальных и теоретических данных по применению метода предварительного обкатывания в технологических процессах обработки заготовок, которые представлены в научных трудах известных российских ученых: Афонина А.Н., Киричека А.В., Забродина А.В., Папшева Д.Д., Зайдеса С.А.
На основании анализа изученной информации сделан вывод о том, что применение метода предварительного обкатывания с целью повышения качества последующей механической обработки полимерных материалов неизвестно на сегодняшний день.
При получении деталей из полимерных материалов решающим фактором является качество обработанной поверхности. Для достижения требуемых точности и качества, получения сложной конфигурации изделия необходимо применять почти все существующие методы механической обработки. Однако режущих инструментов, оборудования и технологических методов, специально предназначенных для обработки пластмасс, недостаточно, и они имеют низкую эффективность. Всё вышеизложенное указывает на необходимость разработки новых способов и методов механической обработки полимерных материалов для повышения параметров качества обработанной поверхности.
Во второй главе представлены обоснование способа токарной обработки полимерных материалов с применением операции предварительного обкатывания и методика расчета глубины резания с учетом основных параметров процесса обкатывания и явлением упругого последействия полимерных материалов.
Рассматривая обработку режущим инструментом как разновидность процесса управляемого разрушения твердого полимерного материала, и с учетом кинетической концепции прочности, разработан способ токарной обработки полимерных материалов, сущность которого заключается в том, что предварительно токарной обработке заготовки подвергаются обкатыванию.
За счет предварительного обкатывания образуется такая структура полимерного материала, в которой часть связей разрушена, а часть напряжена и имеет низкую энергию активации связей, что способствует к разрыву части возбужденных связей в полимерных цепях тепловыми флуктуациями. При дальнейшем взаимодействии поверхностного слоя материала с режущим клином инструмента, которая сразу осуществляется после обкатывания, облегчается процесс деформирования срезаемого слоя за счет образования зоны предразрушения. Магистральная трещина приобретает более устойчивое направление развития вдоль линии среза, что является предпосылкой повышения качественных показателей обработанной поверхности, так как снижается вероятность образования вырывов, сколов и подобных дефектов обрабатываемого резанием материала.
Для обеспечения высокого качества токарной обработки заготовок из полимерных материалов на основе реализации вышеизложенных представлений необходимо глубину резания назначать с учетом глубины распространения деформации и явления упругого восстановления наружной поверхности материалов, которое имеет место после операции обкатывания.
Глубину резания принимаем
, (1)
где - глубина распространения деформации.
С учетом упругого последействия параметр следует рассчитать по уточненной формуле
, (2)
где - величина упругого восстановления деформированного слоя.
Рисунок 1 - Определение величины упругого восстановления деформированного слоя: - глубина распространения деформации; - упругое восстановление деформированного слоя
Величину упругого восстановления можно найти используя расчетную схему, рис. 1:
, , и окончательно получим
(3)
Глубину распространения деформации определим по следующей формуле:
. (4)
где - глубина внедрения шарика в материал с прочностью под действием со сторонны инструмента на обрабатываемую поверхность нормальной силы Рн
(5)
Тогда (2) будет иметь вид
(6)
Для расчета нормальной силы, которая определяет величину заданных напряжений в очаге денформации, воспользуемся выражением
(7)
Подставив в (6) выражение для из (7) окончательно получим
(8)
Таким образом, получено выражение (8), по которому можно рассчитать важный параметр резания - глубину резания, с учетом усилия деформирования поверхностного слоя заготовки и величины упругого восстановления материала заготовки.
В третьей главе представлены характеристика материалов исследования, обоснование выбора режимов резания и параметров режущего инструмента, методика выбора оптимального усилия обкатывания, описание конструкций новых устройств для предварительной обработки заготовок, перечень приборов и датчиков для контроля процесса токарной обработки, результаты предварительных экспериментальных исследований.
В качестве исследуемых материалов выбраны представители термореактивных и термопластичных пластмасс, детали и изделия из которых широко применяются в машиностроении: текстолит ПТК, гетинакс 1, капролон В, фторопласт-4.
Для реализации предварительного обкатывания заготовок разработано специальное устройство, техническая сущность и конструкция которого защищены патентом на изобретение, рис.2.
Устройство для предварительной обработки состоит из корпуса 1 закрепленного на суппорте токарного станка, в котором по направляющим 2 перемещается плита 3, на которой установлены неподвижные ролики 4. Плита 3 имеет паз, в котором при помощи винта 5 перемещается сухарь 6, имеющий ось 7. на которой закреплен ролик сферической формы 8. Вращение винта 5 осуществляется при помощи маховика 9.
Рисунок 2 - Конструкция устройства для предварительной обкатки заготовок
С целью выбора рационального значения глубины резания при последующей токарной обработке заготовки проводилось исследования взаимосвязи между прикладываемой к шарику нагрузкой и глубиной его погружения в материал. Для проведения прочностных исследований применялась испытательная машина WDW-50E. Анализ полученных данных позволяет сделать заключение о линейной зависимости глубины погружения шарика от прикладываемой к нему нагрузки в случае испытания образцов из всех исследуемых материалов. По результатам проведенного регрессионного анализа получены следующие уравнения регрессии: для капролона - P = 2,001hст + 0,369; для текстолита - Р = 2,747hст + 0,442; для фторопласта - Р = 0,639hст + 0,18; для гетинакса - Р = 3,175hст + 0,1.
Токарную обработку проводили на универсальном токарно-винторезном станке модели 16К20Ф3С47. Выбор режимов резаний, инструментального материала и геометрии режущей части инструмента для конкретных видов пластмасс произведен на основании результатов ранее проведенных экспериментальных исследований.
Во время проведения экспериментов производили измерение составляющей Pz силы резания при помощи балочного датчика силы СВ1А-К3 закрепленного на резце. Сигнал с датчика поступал на индикатор DN-10.
Качество обработанной поверхности оценивается по следующим показателям: параметры шероховатости, отклонения формы, твердость.
Измерение твердости обработанной поверхности производилась по Бринеллю. Оценка отклонений формы обработанных поверхностей производилась с применением цифрового измерительного комплекса Rondcom 41C производства Японии. В качестве контролируемых параметров отклонений формы получаемых поверхностей использовались: отклонение от цилиндричности, отклонение образующей от прямолинейности, отклонение от круглости. Шероховатость поверхности контролировали при помощи профилометра TR 200 производства США. Оценивались основные параметры шероховатости согласно ГОСТ 2789-73 и международного стандарта ISO 4288. Исследование структуры стружек и характера поверхностей разрыва производилось на электронном микроскопе Micro 200.
С целью подтверждения целесообразности применения операции предварительного обкатывания заготовок производились исследования таких свойств материалов как прочность при растяжении и водопоглощение. Установлено, что применение предварительного обкатывания заготовок не влияет на прочность при растяжении и водопоглощение впоследствии обработанной поверхности при условии соблюдения правильного соотношения глубины резания и усилия обкатывания.
Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований по влиянию предварительного обкатывания заготовки на изменение силы резания, по установлению взаимосвязи между параметрами режима резания и качественными характеристиками обработанной поверхности с учетом предварительного обкатывания заготовки. Также представлены результаты производственных испытаний разработанных в работе технологических решений.
Сила резания. На рис. 3 представлены в виде графических зависимостей экспериментальные данные влияния величины усилия обкатывания поверхностного слоя заготовки из капролона и фторопласта на значение силы резания при точении. Анализ представленных данных позволяет сделать вывод о том, что с увеличением усилия обкатывания РПД имеет место снижение силы резания во всем исследуемом диапазоне подач при их токарной обработки.
Снижение силы Pz объясняется технологическим разупрочнением поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, которое происходит за счет развития имеющихся внешних и внутренних дефектов в виде микротрещин и образования новых. При этом происходит образование зон интенсивных пластических деформаций в объеме полимерного материала, что приводит к более устойчивому распространению магистральной трещины вдоль плоскости резания.
Подтверждением данного факта служат микрофотографии стружек капролона и фторопласта, представленные на рис. 4.
а) б)
Рисунок 3 - Сила резания при точении заготовок из:
а) капролона при 1 РПД=0; 2 РПД=1кН; 3 РПД=2кН; 4 РПД=3кН
б) фторопласта при 1 РПД=0; 2 РПД=0,4кН; 3 РПД=0,6кН; 4 РПД=0,8кН
Шероховатость обработанной поверхности На рис. 5 представлены результаты исследования уровня шероховатости поверхности деталей из капролона в виде профилограмм, а численные значения исследуемых параметров шероховатости сведены в табл. 1. Анализ численных значений геометрических параметров шероховатости обработанной поверхности исследуемых материалов также подтверждают тот факт, что применение предварительного обкатывания заготовок приводит к повышению качества обработанной поверхности.
а б в г
д е ж з
Рисунок 4 - Микрофотографии фрагментов стружки капролона:
а - РПД =0; б - РПД =1кН; в - РПД =2кН; г - РПД =3кН
и фторопласта:
д - РПД =0; е - РПД =0,4кН; ж - РПД =0,6кН; з - РПД =0,8кН
Общую тенденцию снижения шероховатости обработанной точением поверхности после предварительного обкатывания можно объяснить следующим образом. После снятия сжимающей нагрузки на заготовку в объеме материала действуют остаточные растягивающие напряжения, обеспечивающие эффект двойного технологического разупрочнения поверхностного слоя заготовки. ВоЦпервых, за счет их действия появляются поверхностные дефекты в виде микротрещин. ВоЦвторых, в вершинах имеющихся и появившихся микротрещин образуются зоны перенапряжения или зоны пластической деформации. В данных зонах имеет место частичное разрушение как химических, так и межмолекулярных связей полимера, что и является основой смягчения условий дальнейшей токарной обработки и повышения качества обработанной поверхности, в соответствии с технической сущностью разработанного исследуемого способа.
а) б)
Рисунок 5 - Профилограммы поверхностей деталей из капролона:
а) точение; б) предварительное обкатывание+точение
Таблица 1
Результаты исследования шероховатости поверхности деталей при различных видах обработки
Вид обработки | параметры шероховатости, мкм | |||||||
Ra | Rz | Rmax | Rp | Rm | Sm | Sk | ||
капролон | Предварительное обкатывание+точение | 2,53 | 7,37 | 9,81 | 4,17 | 5,63 | 0,45 | -0,13 |
Точение | 6,73 | 19,18 | 36,76 | 14,65 | 22,13 | 0,21 | -0,38 | |
фторопласт | Предварительное обкатывание+точение | 3,45 | 14,13 | 18,37 | 9,86 | 8,30 | 0,36 | -0,12 |
Точение | 7,12 | 18,3 | 33,5 | 12,3 | 19,1 | 0,125 | 0,13 | |
текстолит | Предварительное обкатывание+точение | 3,32 | 15,18 | 22,36 | 11,54 | 11,71 | 0,25 | -0,23 |
Точение | 9,83 | 39,31 | 47,13 | 27,24 | 21,96 | 0,21 | 0,56 | |
гетинакс | Предварительное обкатывание+точение | 4,45 | 15,89 | 22,13 | 11,86 | 12,31 | 0,29 | 0,05 |
Точение | 10,18 | 36,25 | 57,83 | 27,42 | 29,43 | 0,25 | 0,69 | |
Отклонения формы. В связи с особенностями структуры полимерных материалов и спецификой поведения при действии внешней нагрузки представляется практически важным оценить уровень возможных изменений формы обработанной поверхности в случае применения предварительного обкатывания заготовки.
С целью выявления целесообразности и возможности применения предварительного обкатывания заготовок из исследуемых материалов проводилась оценка отклонений формы поверхностей деталей. Измеренные значения параметров отклонения от цилиндричности, отклонения от круглости и отклонения от прямолинейности образующей поверхности капролона после токарной обработки, а также токарной обработки после предварительного обкатывания заготовки представлены на рис. 6.
На основании полученных данных по отклонению от цилиндричности, рис. 6 а, предварительное обкатывание заготовок из исследуемых материалов приводит к снижению отклонения от цилиндричность до трех раз. В случае токарной обработки заготовки из капролона максимальное отклонение от цилиндричности составляет 20 мкм; после точения с предварительным обкатыванием заготовки, данное отклонение не превышает 6 мкм.
Значения отклонения от прямолинейности образующей деталей из капролона, рис. 6 б, полученные при исследуемых вариантах обработки, составляют: 28 мкм при традиционном точении и 13 мкм после точения с применением предварительного обкатывания заготовки.
Значения отклонения от круглости деталей, рис. 6 в, полученные при исследуемых вариантах обработки, отличаются незначительно и составляют: 21 мкм при традиционном точении и 17 мкм после точения с применением предварительного обкатывания заготовки.
Режимы резания. Цель данной серии экспериментов - установить взаимосвязь между режимами резания заготовок из полимерного материала, величиной усилия обкатывания заготовок и уровнем шероховатости обработанной поверхности. Два наиболее важных параметра при точении полимерных материалов - глубина резания t и продольная подача инструмента s были выбраны в качестве исследуемых. Данные параметры варьировались в следующих диапазонах: t = 0,25 - 1,5 мм, s = 0,08 - 0,16 мм/об. Скорости резания поддерживались постоянными и составляли: при обработке капролона 250 м/мин, при обработке гетинакса 150 м/мин.
Экспериментальные данные в виде графических зависимостей, позволяющие оценить взаимосвязь между уровнем шероховатости обработанной поверхности капролона и текстолита, величиной подачи и усилием обкатывания представлены на рис. 7. Анализ полученных данных позволяет заключить, что для исследуемых полимерных материалов наблюдается общая тенденция увеличения уровня шероховатости с увеличением продольной подачи.
На рис. 8 представлены экспериментальные данные по влиянию глубины резания и величины усилия обкатывания заготовки на величину шероховатости обработанной поверхности капролона и текстолита соответственно. Анализ данных графических зависимостей позволяет установить факт наличия аналогичного характера взаимосвязи межу указанными параметрами для обоих исследуемых материалов, а именно: с ростом глубины резания и величины усилия обкатывания заготовок уровень шероховатости обработанной точением поверхности увеличивается.
а) | 1. | 2. |
б) | 1. | 2. |
в) | 1. | 2. |
Рисунок 6 - Отклонения формы деталей из капролона после токарной обработки: 1 - точение; 2 - точение после предварительного обкатывания заготовки; а) отклонение от цилиндричности; б) отклонение от прямолинейности образующей; в) отклонение от круглости
а) б)
Рисунок 7 - Шероховатость обработанной поверхности деталей:
а - капролон; б- текстолит; 1 - усилие обкатывания 1кН;
2 - без предварительного обкатывания; 3 - усилие
обкатывания 2кН; 4 - усилие обкатывания 3кН;
а) б)
Рисунок 8 - Шероховатость обработанной поверхности: а- капролона; б- текстолита; 1 Ц без предварительного обкатывания; 2 - с предварительным обкатыванием при различных расчетных значения глубины резания
Таким образом, анализ представленных результатов, полученных в данной работе, позволяет сделать вывод о том, что на процесс формирования шероховатости обработанной поверхности исследуемых полимерных материалов предварительная обработка заготовок обкатыванием оказывает значительное влияние. Такая обработка обеспечивает эффект технологического разупрочнением поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, который происходит за счет развития имеющихся внешних и внутренних дефектов в виде микротрещин и образования новых. При этом в вершинах микротрещин образуются зоны перенапряжения, в которых, согласно положениям термофлуктуационной теории прочности часть химических связей напряжена, а другая часть разрушена. Наличие таких зон позволяет, при последующей обработке резанием, обеспечить более стабильное распространение усилие резания вдоль линии среза, и снизить, таким образом количество дефектов, возникающих на обрабатываемой поверхности.
Общую тенденцию повышения шероховатости обработанной поверхности по мере увеличения глубины резания и продольной подачи можно объяснить следующим образом. При увеличении глубины резания или величины продольной подачи растет объем деформированного материала и происходит рост силы резания. Взаимное действие указанных факторов приводит к тому, что в объеме срезаемого материала уменьшается доля деформации сдвига и увеличивается доля деформации сжатия. Как известно, твердые полимерные тела являются неоднородными как на макро, так и на микроскопическом уровне. В жестких полимерах всегда имеются различные дефекты, из которых самыми распространенными являются микротрещины, пустоты, включения. Действуя на неоднородный полимер, поле напряжений сжатия становится также неоднородным и создает концентрации напряжений в окрестности любого дефекта. Таким образом, в результате неоднородной деформации сжатия и локализации сдвиговой деформации на стыках аморфной и кристаллической фаз полимерных материалов при их токарной обработке имеет место тенденция формирования суставчатой стружки с увеличением глубины резания, что сопровождается повышением уровня шероховатости обработанной поверхности.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. На основе анализа механизма термофлуктуационного разрушения материалов обосновано и экспериментально подтверждена целесообразность применения предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов для уменьшения прочности поверхностного слоя, за счет понижения энергии активации процесса разрыва связей в материале, и повышения на этой основе, качества последующей токарной обработки.
2. Предложен способ обработки на основе предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов и сразу следующей за этим токарной обработки, с целью повышения качества обработанной поверхности деталей. Для реализации данного способа разработано, изготовлено и применено в экспериментальных исследованиях устройство для предварительной обработки заготовок из полимерных материалов, конструкция которого защищена патентом РФ на изобретение.
3. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлена взаимосвязь между глубиной резания и усилием обкатывания заготовки с учетом факта упругого восстановления полимерных материалов после прекращения действия нагрузки.
4. Экспериментально установлен характер изменения силы резания при точении фторопласта-4, капролона В, гетинакса 1 и текстолита ПТ после обкатывания заготовки, а именно: с увеличением усилия обкатывания заготовок из указанных материалов имеет место снижение силы резания в 1,5-3 раза во всем диапазоне реализуемых подач. Снижение силы резания объясняется технологическим разупрочнением поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, которое происходит за счет развития имеющихся внешних и внутренних дефектов в виде микротрещин и образования новых.
5. Впервые экспериментальным путем доказано, что применение операции предварительного обкатывания заготовок из исследуемых материалов обеспечивает снижение уровня шероховатости обработанной поверхности детали до 2,5 раз по сравнению с вариантом обычной токарной обработки во всем диапазоне реализуемых значений глубины резания и продольной подачи.
6. Экспериментально доказано, что применение предварительного обкатывания заготовок из фторопласта-4, капролона В, гетинакса 1 и текстолита ПТ приводит к некоторому снижению таких показателей отклонений формы обработанной поверхности как отклонении от круглости и отклонение от цилиндричность, а отклонения от прямолинейности имеют примерно равные значения независимо от варианта обработки или снижаются незначительно.
7. Результаты производственных испытаний полностью подтверждают целесообразность применеия операции предварительного обкатывания заготовок из полимерных материалов, так как реализация такого подхода, в конечном итоге, позволила снизить уровень виброколебаний подшипникового узла промышленной установки.
8. Разработаны научно обоснованные рекомендации по повышению качества обработанной поверхности полимерных материалов путем выбора параметров предварительного обкатывания заготовки, которые внедрены в производственную деятельность ОАО Дальэнергомаш (г. Хабаровск) и ОАО Дальневосточный научно-исследовательский институт технологии судостроения (г. Хабаровск).
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
Издания, рекомендованные ВАК
1. Еренков О.Ю. Токарная обработка полимерных материалов с применением опережающей обработки заготовок /Еренков О.Ю., Калита Е.Г., Мазин Р.С.// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2011.Ц №7. - С.45-48.
2. Еренков О.Ю. Повышение качества токарной обработки полимерных материалов на основе предварительного деформирования поверхностного слоя заготовки /Еренков О.Ю., Калита Е.Г., Калита Г.А.// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2011.Ц №2. Ц С. 45-48
3. Еренков О.Ю. Исследование процесса стружкообразования при точении термопластичных полимерных материалов /Еренков О.Ю., Гаврилова А.В., Калита Е.Г., Картелев Д.В.// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. -№5(283).
4. Еренков О.Ю. Расчет диффузионных параметров взаимодействия агрессивной среды с полимерными материалами /Еренков О.Ю., Калита Е.Г., Мясников Е.А., Мазин Р.С.// Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2009. -№8.- С. 48
Патенты
1. Патент № 2342249 Российская федерация (51) МПК В 29 С 37/00. Устройство для предварительной обработки заготовок из пластмасс /Еренков О.Ю., Еренков С.О., Калита Е.Г., Калита Г.А. - №2007120276/11; заявлено 30.05.2007; опубликовано 27.12.2008, Бюл. №36. - 6 с.
2. Патент № 2438872 Российская федерация (51) МПК В 29 С 59/04. Устройство для предварительной обработки заготовок из пластмасс /Еренков О.Ю., Еренков С.О., Калита Е.Г., Калита Г.А. - №2010100435/05; заявлено 11.01.2010; опубликовано 10.01.2012, Бюл. №1. - 6 с.
Публикации в других изданиях
1. Erenkov O.Yu., The method and device to improving the quality of polymeric materials turning /Erenkov O.Yu., Erenkov S. O., Kalita E.G.// Modern materials and technologies 2009: International X-tn Russian-Chinese Symposium. Proceedings. - Khabarovsk: Pacific National University, 2009. - 470 p.
2. Erenkov O.Yu., The way to improve turning quality by preliminary surface deformation of work-pieces /Erenkov O.Yu., Kalita E.G., Kalita G.A.// 2010 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies May 24-28 2010, Harbin, China
3. Erenkov O.Yu., Influence of preliminary superficial deformation of preparation from a polymeric material on quality of the surface processed by cutting /Erenkov O.Yu., Kalita E.G., Kalita G.A., Kovalchuk S.A.// Modern materials and technologies 2011 : International Russian-Chinese Symposium. Proceedings. - Khabarovsk: Pacific National University. 2011. - 485 p.
4. Еренков О.Ю. Влияние обработки полимерных материалов наносекундными электромагнитными импульсами на механическую прочность / Еренков О.Ю., Еренков С.О., Калита Е.Г., Калита Г.А.// Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 8. - Брянск: БГИТА, 2008. - С.112
5. Еренков О.Ю. К вопросу о механическом воздействии на заготовки из полимерных материалов перед / Еренков О.Ю., Гаврилова А.В., Калита Е.Г.// Динамика систем, механизмов и машин: Матер. VI Междунар. науч.- техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.-Кн.2.- С. 436
6. Еренков О.Ю. Влияние параметров токарной обработки на твердость обработанной поверхности деталей из полимерных материалов / Еренков О.Ю., Калита Е.Г.// Проблемы качества машин и их конкурентоспособности: материалы 6-й Международной научно-технической конференции, г. Брянск 22-23 мая 2008 г. / под общ. ред. А.Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2008. - С. 580
7. Калита Е.Г. Моделирование колебательных процессов в технологической системе при токарной обработке полимерных материалов /Калита Е.Г., Комялова Е.В.// Вестник ТОГУ. -2008. -№1(8). - С. 294
8. Еренков С.О. Устройство для предварительной обработки заготовок из композиционных полимерных материалов /Еренков С.О., Калита Е.Г., Калита Г.А.// Актуальные проблемы лесного комплекса/Под ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 20.- Брянск: БГИТА, 2007.- С. 192
9. Еренков О.Ю. Влияние предварительного деформирования заготовок из полимерных материалов на качество поверхностного слоя обработанных точением деталей / Еренков О.Ю., Калита Е.Г., Комялова Е.В., Никишечкин В.Л.// Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации [Текст]: материалы VI Международной научно-технической конференции: в 2 ч. Ч. 1 / редкол.: Е.И. Яцун [и др.]: Курск. гос.техн.ун-т. Курск, 2008. - С. 230
10. Еренков О.Ю. Методика расчета диффузионных параметров при взаимодействии химической среды с полимерными материалами / Еренков О.Ю., Калита Е.Г., Шашков А.Н.// Инновации, качество и сервис в технике и технологиях [Текст]: материалы I Международной научно-практической конференции: в 2 ч. Ч.1 / редкол.: Е.И. Яцун (отв.ред.) [и др.]; Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2009. - С.224
11. Калита Е.Г. Предварительная обработка полимерных материалов при точении /Калита Е.Г., Мазин Р.С. Грушина А.Ю., Легянис А.А.// Создание новых материалов для эксплуатации в экстримальных условиях. Сборник трудов международной конференции с элиментами научной школы для молодежи 16-19 ноября 2009г.
12. Калита Е.Г. Способ и устройство предварительной подготовки полимерных материалов к резанию /Калита Е.Г.// Материалы III конкурса-конференции научных работ молодых ученых Тихоокеанского государственного университета (Хабаровск, 1-4 декабря 2009 г.). - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2010 - С.183
13. Калита Е.Г. Исследование сил резания при точении полимерных материалов после предварительного поверхностного деформирования заготовок /Калита Е.Г.// Новые материалы и технологии в машиностроении/ Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 11.-Брянск: БГИТА, 2010. - С.183
14. Калита Е.Г. Разработка и исследование новой технологии механической обработки полимерных материалов /Калита Е.Г.// Молодые ученые - Хабаровскому краю. Материалы XIII краевого конкурса молодых ученых и аспирантов. Хабаровск. 14-25 Января 2011. - С. 177.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям