УДК 621.791.357                                                                 На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

                                                                       

 

 

 

 

УАЛИЕВ ДАНИ ШАЙТМАХМЕТОВИЧ

 

 

 

Исследование стабилизирующих режимов электроконтактной обработки для повышения производительности и качества обрабатываемой поверхности

 

 

 

05.03.01 – Технологии и оборудование механической

и физико-технической  обработки

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

  

 

 

              

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2009

Работа выполнена в Карагандинском государственном техническом университете

 

 

 

Научный  руководитель:                                         доктор технических наук  

                                                                                Мендебаев Т.М.

 

 

Официальные оппоненты:                                      доктор технических наук

                                                                                Аликулов Д.Е.

 

                                                                                кандидат технических наук

                                                                                Абсадыков Б.Н.

 

                                                                                              

 

Ведущая  организация:                                      Павлодарский государственный

университет им.С.Торайгырова

 

 

 

 

 

Защита состоится «27» марта 2009 года в 16.00 часов на заседании Диссертационного совета Д14.17.02 при Казахском национальном техническом университета им.К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, ул.Сатпаева 22, Институт машиностроения, МСК-21.

Факс 8-(727)-257-71-83, тел 8-(727)-292-60-25, e-mail: aspirantura@ntu.kz.

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им.К.И.Сатпаева.

 

Автореферат разослан «25» февраля 2009 года.

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационого совета                                      Сазамбаева Б.Т.

 

 

Введение

 

Актуальность работы.

Развитие горного машиностроения Казахстана, которое составляет значительную часть современного производства, основано на применении сложных и трудоемких процессов при изготовлении и ремонте оборудования, вследствие чего повышаются энергопотребление и трудозатраты. Одним из путей уменьшения стоимости изготовления и ремонта является повышение производительности. Повышение производительности может достигаться различными способами. На литейно-механическом заводе ТОО «Корпорация Казахмыс», которое выпускает и ремонтирует оборудование для рудников и обогатительных фабрик такое повышение достигнуто при изготовлении и ремонте бронедисков насоса за счет применения прогрессивных методов обработки.

Применение прогрессивных методов обработки по сравнению с традиционными методами сопряжено с некоторыми трудностями, в частности, с недостаточностью исследовании таких методов.

Флотационное оборудование, в связи со специфическими условиями работы быстро изнашиваются, одним из самых изнашиваемых элементов центробежных насосов является бронедиск. Для насосов средний срок службы бронедисков составляет восемь месяцев, после чего они восстанавливаются или изготовляются заново.  Бронедиски являются деталями, не требующих точных обработок, поэтому для повышения производительности их изготовления можно применять высокопроизводительные методы обработки. Одними из таких методов являются электрофизические и электрохимические методы, куда входит электроконтактная обработка металлов и сплавов.

Для обработки бронедисков, которые восстановлены путем наплавки на кромки сплава 500Х40Н40С2, предложена была электроконтактная обработка, применение которой увеличила производительность. Применение ЭКО имеет недостатки, которые связаны с трудностями выбора режимов обработки для получения поверхностей с заданным качеством. Трудности данной обработки связаны, в первую очередь, с не исследованностью процессов, происходящих в зоне обработки.

ЭКО предназначена для съема материала с электропроводящей заготовки. Анализ данного вида обработки показал, что осуществляется обработка токопроводящих материалов практически с любыми физико-механическими свойствами без приложения значительных механических усилий и без непосредственного механического контакта обрабатывающей поверхности инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки. Значительно меньшей зависимостью основных технологических показателей процессов от физико-механических свойств обрабатываемого материала.

Таким образом, разработка адекватной модели физических процессов, исследование качества поверхностного слоя и сил резания привели бы к повышению производительности и получению изделии требуемого качества.

.

Цель работы повышение качества обрабатываемой поверхности и производительности установлением стабилизирующих режимов обработки путем исследования влияние физических процессов происходящих в межэлектродном пространстве (МЭП), механизма распространения  тепла в обрабатываемом объекте и технологических параметров на свойства поверхностного слоя изделия.

Идея работы заключается в анализе качества поверхностного слоя для определения стабилизирующих технологических параметров обработки.

Основные задачи исследований:

- провести анализ причин несовпадения теоретических исследовании других исследователей с практическими результатами в МЭП при ЭКО;

- теоретически исследовать влияние физических процессов при ЭКО в МЭП на качество поверхностного слоя;

- экспериментально исследовать силы резания при ЭКО;

- на основе эксперимента исследовать зависимости параметров качества поверхностного слоя от режимов ЭКО. Получить количественные математические модели, связывающие параметры качества поверхностного слоя с режимами ЭКО;

- разработать модель процессов, проходящих в МЭП при ЭКО;

- провести имитационное моделирование процессов формообразования.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий проведение предварительных экспериментов и на их основе теоретического анализа с экспериментальной проверкой предложенных технических решений в лабораторных условиях. Все исследования проводились по единой методике, что позволило получить сопоставимые результаты.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено влияние физико-механических свойств поверхности заготовки и инструмента на протекание процесса электроконтактной обработки при воздействии единичного импульса;

- получена зависимость сил резания от режимов электроконтактной обработки;

- предложена имитационная модель структуры поверхности, полученная после электроконтактной обработки;

- выявлены технологические параметры электроконтактной обработки.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- полученные закономерности протекания физических  процессов в межэлектродном пространстве и распространение тепла в заготовке позволяющие установить, что формообразование происходит за счет расплавления металла;

- выявленные параметры качества и технологические режимы при электроконтактном методе, позволяющие стабилизировать обработку;

- разработанная имитационная модель электроконтактной обработки бронедиска, позволяющая сравнит микроструктуру модели и образца изделия;

- методика расчета стабилизирующих режимов электроконтактной обработки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

– корректной постановкой задач исследований, обоснованностью принятых исходных предпосылок, методов анализа и использованием фундаментальных законов и положений технологии машиностроения;

– планированием экспериментов и статистической обработки их результатов;

– удовлетворительной сходимостью экспериментальных данных и выходных данных имитационной модели;

– апробацией работы на Республиканских и международных конференциях, совещаниях, семинарах и публикациях основных научных положений в открытой печати.

Личный вклад автора состоит:

– в разработке конструкции по ЭКО бронедисков центробежных насосов;

– в экспериментальных исследованиях влиянию технологических параметров на качество поверхностного слоя и исследование сил резания возникающих при ЭКО;

– в изучении процессов протекающих в МЭП;

– в разработке имитационной модели на ЭВМ;

– и разработке практических рекомендаций и предложений по совершенствованию технологического процесса обработки бронедисков.

Научное значение полученных в диссертации результатов заключается в установлении технологических параметров стабилизирующих электроконтактную обработку.

Практическое значение работы состоит в том, что ее реализация позволяет выявить режимы ЭКО для деталей типа бронедиск и сплава 500Х40Н40С2 для получения необходимого качества изделии и повышения производительности.

Реализация работы. Научные результаты и практические рекомендации, разработанные автором, использованы при разработке технологического процесса механической обработки бронедисков, что позволило обеспечить стабильность получаемых размеров и качества поверхностей бронедиска. Получен Акт внедрения на Литейно-механическом заводе ТОО «Корпорация «Казахмыс».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на:

- IX Республиканской научно-технической конференции «Сварка и контроль качества» - Караганда: КарГТУ, 2001 г.;

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы горно-металлургического комплекса Казахстана» посвященная 50-летию КарГТУ, Караганда: КарГТУ, 2003 г.;

- Международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане». – Алматы: КазНТУ, 2007 г. – Том 2.;

- Международной научной конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан 2030» - Караганда: КарГТУ, 2008 г. – Выпуск 2.;

- Научно-технических семинарах кафедры «Технология машиностроения» и машиностроительного факультета Карагандинского государственного технического университета 2001-2009 г.

Публикации работы: Основное содержание диссертации отражено в 8 печатных работах, из них 3 статьи и 5 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов и выводов, изложенных на 110 страницах текста, содержит 41 рисунок, 20 таблиц, списка использованных источников из 121 наименований и приложения.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность кандидату технических наук, профессору кафедры «Технология машиностроения» Карагандинского государственного технического университета Швоеву Виктору Федоровичу и коллективу кафедры.

 

Общая характеристика работы

 

Во введении обоснованы актуальность и степень разработанности проблемы исследования, сформулированы научные задачи, показана новизна работы и описана структура диссертации.

В первой главе дается описание объектов исследования и современное состояние технологии ЭКО деталей, изготовленных из труднообрабатываемых материалов. Грунтовыми насосами называются центробежные насосы специальной конструкции, приспособленные для перекачивания смеси воды и грунта. Центробежный насос предназначен для перекачивания абразивных гидросмесей на горно-обогатительных комбинатах, например, для откачивания пульпы, получаемой в процессе промывки породы (хвосты руд черных и цветных металлов). Бронедиск – конусообразное тело вращения и составляющая  насоса, расположено на рабочем колесе и предотвращает вытекание песко-водной субстанции из полости насоса при процессе флотации. В процессе работы насоса одним из самых изнашиваемых деталей является бронедиск, его изнашивание происходит не по всей поверхности детали. Изнашиваемыми поверхностями являются торцы на диаметре 855 мм и 1930 мм, внутренняя поверхность диаметром 780 мм, которая находится в сопряжении с рабочим колесом. Зазор между рабочим колесом и бронедиском должен составлять 2 мм; при нарушении данного условия насос перестает правильно выполнять свое функциональное назначение. Одним из недорогих и эффективных методов восстановления поверхности бронедиска является наплавка под флюсом порошковой ленты сплава 500Х40Н40С2.

Обзор исследований по существующим электрическим способам обработки металлов – электротехнологий, к которым относится ЭКО. Исследованию данного вида обработки посвещены теоретические и экспериментальные работы А.С.Давыдов, Л.А.Ушомирская, К.К.Намитоков, В.Ф.Швоев, О.П. Муравьев, Г.А.Байжабагинова и другие. На основе выполненных исследований авторы полагают, что данный метод обладает наибольшей производительностью по сравнению с другим электроэрозионными методами, так же позволяет подводить в зону обработки большую электрическую мощность, ограничиваемую только лишь источником питания.

Наибольшее применение ЭКО нашел при разрезке, обдирке, шлифовании и прошивке. Основные достоинства метода: простота, большая производительность, возможность обрабатывать токопроводящие материалы любой прочности и твердости. Недостатки: большой износ инструмента, большие подводимые мощности, неудовлетворительное качество поверхности. Изучение влияния технологических параметров на качество поверхностного слоя являются нашей основной задачей.

Во второй главе выполнены аналитичекие исследования межэлектродного пространства (МЭП) и получено уравнение распространения тепла при ЭКО.

При ЭКО металлов возникают множество явлений, способствующих снятию материала заготовки, которые относятся к электроэрозионным. Если рассмотреть эти явления по локализации контакта инструмента и заготовки, то можно выявить участки взаимодействия между инструментом и заготовкой, в которых происходят различные процессы. Если условно разделить место контакта на несколько частей, то в первой части происходит пробой МЭП. Которые связаны с физико-механическим состоянием поверхностей заготовки и инструмента.

Пробой между инструментом и заготовкой приводит к низкотемпературной плазме в канале разряда. На заготовке образуется лунка под воздействием ударной волны, и часть расплавленного материала удаляется из МЭП, так как часть расплавленного материала не может быть удален в связи с силами, взаимодействующими в материале.

Анализ решения тепловых задач возникающих при ЭКО показывает, что единой картины их решения нет, это обусловлено не только неполным соответствием принимаемых предпосылок реальной картине процесса, но в значительной степени тем, что при количественном анализе геометрических характеристик зоны поражения (диаметр и глубина лунок) не удается подсчитать, какая часть из всей массы металла выбрасывается с поверхности электродов. Проведенные эксперименты показали, что лишь часть расплавленной массы металла удаляется, а остальная часть находится внутри лунки и на периферии.

Предлагается оценивать процесс ЭКО через коэффициент выброса:

,                                                      (1)

где М_з – масса заготовки;

      М_уд – масса удаляемого материала.

Второй участок является контактным и на нем не происходит каких либо значительных изменений, вызванных ЭКО.

Третий участок это участок разрывов физических контактов между заготовкой и инструментом. Данный разрыв сопровождается образованием мостика, из-за вытягивания расплавленной массы. Параметры мостика зависят от интенсивности процесса плавления, скорости расхождения электродов и силы натяжения жидкого металла. В связи с этим поверхность заготовки приобретает характерную волнистость и шероховатость.

Все вышеупомянутые процессы, протекающие в МЭП, влияют непосредственно на сам процесс резания, но основным фактором съема материала является ее расплавление. Точный расчет температуры в области разряда невозможен, что вызвано тремя источниками теплоты: от механической работы, нагрева вызванного прохождением тока через инструмент и заготовку из-за электрического сопротивления, а так же из-за возникновения дуги в МЭП, но можно описать механизм распространения тепла в заготовке уравнением теплопроводности

,                                                                         (2)

где - оператор Лапласа ;

а - коэффициент температуропроводности, м²/с;

T(r,t) - температура в произвольной точке M(r,t) Переходя к сферической системе координат (рисунок 1) и полагая, что область плавления в течение всей длительности импульса имеет форму полусферы с подвижной границей S, мы переходим к уравнению

,                                                         (3)

со следующими начальными и граничными условиями

,

где τ - длительность импульса, с;

      Т_пл - температура плавления обрабатываемой детали, град°С.

Для определения скорости распространения границы фазового перехода S будем исходить из предположения, что поверхность, отделяющая жидкую фазу от твердой, является полусферой, а мощность теплового потока в процессе импульса постоянная. Тогда на перемещение границы раздела фаз на величину dr необходимо затратить количество теплоты, равное 2πr²drγλ, где r- текущий радиус лунки, м; γ - плотность металла, кг/м³; λ- удельная теплота плавления, ккал/кг.

С другой стороны, это же количество тепла равно q·dt, где q - мощность теплового потока в импульсе, ккал/с; dt - время, в течение которого произошло рассматриваемое расширение лунки.

Приравнивая обе величины, получаем 2πr²drγλ= q·d.

Откуда  или  и запишем граничные условия

 

Рисунок 1 – Схема распространения границ фазового перехода

 

Тогда задача приводится к виду

                             (4)

Таким образом, задача приведена к выше показанному виду. Для решения задачи составили конечно-разностную схему применительно к методу прогонки и выяснили условия устойчивости и обусловленности этой схемы.

В результате анализа решения на ЭВМ построены графики температурных профилей с учетом подвижности границ расплава в течений действия разряда для различных моментов времени.

В третьей главе приводятся исследование сил резания при ЭКО в зависимости от режимов и тангенциальных остаточных напряжении, наклепа, структура сплава 500Х40Н40С2.

На величину вдавливания шарика оказывает влияние только сила Р_у, а сила Р_z воспринимается жесткой опорой.

Метод измерения силы сводился к измерению диаметра отпечатка, оставленного шариком на полированной свинцовой пластинке. В корпусе устройства  имелись два отверстия для закрепления пластинки из стали 20 и два отверстия для закрепления заготовки с наплавленным сплавом 500Х40Н40С2. В заготовке просверливалось отверстие, затем осью заготовка соединялась с корпусом устройства. В заготовке также просверливалось отверстие и нарезалась резьба для подключения напряжения. Токопроводящие провода крепились к заготовке болтом. Для предотвращения прохождения тока во время процесса резания через шарик и свинцовую пластинку была применена текстолитовая прокладка. После проведения опыта на пластинке оставались отпечатки, диаметр которых затем измерялся.

Для предотвращения смещения шарика в горизонтальной плоскости заготовка снизу насверливалась на небольшую глубину и шарики вставлялись в образовавшееся гнездо.

Абсолютные значения силы резания при ЭКО небольшие, порядка 100 Н, с увеличением напряжения подачи они уменьшаются, причем сила Рz в 5-10 раз меньше силы Рy, рисунки 2, 3, 4, 5.

 

1 – S=3,85 м/мин; t=0,25 мм; 2 - S=3,85 м/мин; t=1,25 мм;

3 – S=5,78 м/мин; t=0,25 мм; 4 - S=5,78 м/мин; t=1,25 мм.

Рисунок 2 – Зависимость силы резания от скорости инструмента для сплава 500Х40Н40С2

1 – V=8,06 м/сек; S=3,85 м/мин; 2 – V=8,06 м/сек; S=5,78 м/мин;

3 – V=21,88 м/сек; S=3,85 м/мин; 4 – V=21,88 м/сек; S=5,78 м/мин.

Рисунок 3 – Зависимость силы резания от глубины резания для стали 20

1 – V=8,06 м/сек; S=3,85 м/мин; 2 – V=8,06 м/сек; S=5,78 м/мин;

3 – V=21,88 м/сек; S=3,85 м/мин; 4 – V=21,88 м/сек; S=5,78 м/мин.

Рисунок 4 – Зависимость силы резания от глубины резания для сплава 500Х40Н40С2

1 – V=8,06 м/сек; t=0,25 мм; 2 – V=8,06 м/сек; t=1,25 мм;

3 – V=21,88 м/сек; t=0,25 мм; 4 – V=21,88 м/сек; t=1,25 мм.

Рисунок 5 - Зависимость силы резания от подачи для сплава 500Х40Н40С2

 

Исследование тангенциальных остаточных напряжений проводилось на образцах-кольцах, обработанных электроконтактным методом, диском из стали 3. Ширина L_u =8,5 мм, диаметр D =560 мм на режимах резания n =50-200 мин^-1; S = 80 мм/мин; U_x=27в; t_y=0,8-1,2 мм, ток I =300А.

По результатам исследования построены эпюры остаточных тангенциальных напряжений (рисунок 6), из которых следует, что величина растягивающих остаточных напряжений с ЭКО находится в пределах 4901470 МПа  на глубине поверхностного слоя до 0,1 мм, которые переходят в снимающие напряжения, максимальная величина которых, в среднем, составляет 880 МПа.

 

1 - n =150 мин^-1; U_x  =27в; t_y  =0,8 мм; S =80 мм/мин ;= 300 А.

2 - n =100 мин^-1; U_x  =27в; t_y  =0,8 мм; S =80 мм/мин ;= 300 А.

3 - n =200 мин^-1; U_x  =27в; t_y  =0,8 мм; S =80 об/мин ;= 450 А.

4 - n =50 мин^-1; U_x  =27в; t_y  =1,2 мм; S =80 об/мин ;= 300 А.

Рисунок 6 – Эпюры остаточных тангенциальных напряжений

 

Как известно, эффект наклепа достигается путем удара о его поверхность. В месте удара изменяется структура металла. Возникшее высокое давление изменяет кристаллическую структуру металла на поверхности.

Наклеп поверхностного слоя является критерием качественной оценки пластической деформации, характеризуется двумя параметрами – степенью наклепа N, определяется по формуле:

_{,                                                                       (5)}

 

где  – микротвердость на обработанной поверхности,

- исходная микротвердость и глубина наклепанного слоя h.

С целью изучения влияние электрического тока на качество обработанной поверхности были проведены исследования микротвердости на образцах-кольцах, изготовленных из сплава 500Х40Н40С2. Кольца обработаны электроконтактным методом, диском из стали 3, шириной L_u=8,5 мм, диаметром D=560 мм, на режимах резания n=50 мин^-1; S= 80-240 мм/мин; t_u=0,4-2,4 мм; I=200-800А. Из образцов методом косых срезов получены поверхности, на которых можно измерить микротвердость слоев, различно удаленных друг от друга. Верхние слои удалялись механическим путем – ручной доводкой под углом до 4° в специальном приспособлении. Шлифы приготовлялись на последних номерах наждачной шлифовальной бумаги с последующим полированием на фетре с окисью хрома.

Измерение микротвердости проводилось на приборе ПМТ-3 путем вдавливания алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями 1350 при нагрузке 100 г, выдержке 10 секунд. Для уменьшения влияния случайных погрешностей на каждом уровне косого среза делали по 5 отпечатков и измерений их диагоналей, рисунки 7, 8.

 

1 – при I=500-600A, 2 – при I=700-200A,

3 – при I=550-600A, 4 – при I=300-400A.

Рисунок 7 - График зависимости  микротвердости H_v

от глубины наклепанного слоя h

 

 

1 – при I=500-600A, 2 – при I=700-200A, 3 – при I=550-600A, 4 – при I=30

Рисунок 8 - График зависимости  степени наклепа от глубины наклепанного слоя

 

Металлографическое исследование проводилось с целью выявления структурных изменений в поверхностном слое, обработанном электроконтактным методом. Структура поверхностного слоя изучалась на микрошлифах. Для выявления микроструктуры шлиф подвергался травлению в 5 %-ном растворе HNO₃ в спирте.

Исследование и фотографирование подготовленных шлифов проводилось на металлографическом микроскопе марки  МИМ-8 при увеличении 100 раз, рисунок 9, 10.

 

 

n =50 мин^-1; U_x  =27 в; t_y  =0,4 мм; = 250 А.

Рисунок 9 - Микроструктура сплава 500Х40Н40С2ГРЦ, обработанного электроконтактным методом на режиме: S =80 мм/мин;

 

 

n =50 мин^-1; U_x  =27 в; t_y  =0,4 мм; I= 250 А.

Рисунок 10 - Микроструктура сплава 500Х40Н40С2, обработанного электроконтактным методом на режиме: S =80 мм/мин;

 

При изучении  микроструктуры всех образцов общим является преобладание равноосных зерен – фазы  и небольшого количества – фазы 10-15%. Как в поверхностном слое, так и во всем объеме образцов сплава ярко выражены фазовые превращения, причем они не охватывают сплошь контур всего профиля образца, а располагаются отдельными участками неравномерно и беспорядочно.

Неоднородность фазово-структурных превращений объясняется специфическими особенностями обработки сплава ЭКО. И наблюдаемые крупноигольчатые структуры мартенсита объясняются наличием участков перегрева и они имеют высокие механические свойства.

В четвертой главе проводится имитационное моделирование ЭКО методом конечных элементов, иногда называемые исследование конечными элементами это численные методы для отыскания приближенных решений дифференциальных уравнение с частными производными, также как интегральные уравнения. Данный метод решения базируется на разложении целых дифференциальных уравнений или выражением дифференциальных уравнений с частными производными в приближенной системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которые численно интегрируются, используя стандартные методы, такие как метод Эйлера, Рунге-Кутта и т.д. При решений дифференциальных уравнении с частными производными первоначально создается уравнение, которое приближается к уравнению, которое может быть исследовано численным сведением, означающее что ошибки во вводимых данных и в промежуточных расчетах не аккумулируются и не могут быть причиной бессмысленных выходных результатов.

Метод конечных элементов, в целях упрощения расчета задачи, может быть реализован по средствам программы DEFORM 3D. Данный программный комплекс МКЭ основан на процессе моделирования системы спроектированной для анализа разнообразных процессов формообразования и термообработки используемых в ОМД и связанные с промышленностью. Это современный инструмент, позволяющий проектировать и разрабатывать путем моделирования обработки на компьютере. Операций моделируемые в DEFORM 3D: ковка, выдавливание, протяжка, механообработка, высадка, прессование, прокатка, вытяжка, осадка.

Основанные на методе конечных элементов, программные продукты DEFORM доказали свою эффективность и точность более чем двадцатилетним применением их на различных предприятиях. Мощный решатель системы способен анализировать течение металла и температурные показатели заготовки и инструмента при деформациях любой величины с очень высокой точностью.

Для выполнения моделирования воспользуемся препроцессором DEFORM 3D machining, где выберем токарную обработку, в которой можно ввести режимы ЭКО. И для проверки корректности полученных результатов введем параметры рабочего образца для стали 110Г13Л, качество поверхностей которой после ЭКО, довольно подробна изучена. Геометрическая модель бронедиска выполненной в CAD – системе, и сделана в STL форме.

После выполнения моделирования для вышеуказанной стали, убедимся в адекватности выходных данных путем прогонки пост-процессора, воспользовавшись DEFORM 3D POST и DEFORM microstructure.

Далее, также, проводим моделирование для сплава 500Х40Н40С2ГРЦ, которые дают удовлетворительную сходимость экспериментальных данных и выходных данных имитационной модели

В диссертационной работе разработана комплексная методика исследований межэлектродного пространства, сил резания и имитационного моделирования ЭКО.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В диссертационной работе решена актуальная научная задача по определению влияния режимов обработки на качество поверхностного слоя при ЭКО и через них объяснены физические процессы протекающие при этом.

Основные научные выводы и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1.   Получена линейная зависимость сил резания при ЭКО от других технологических параметров;

2.   Установлено существенное влияние процессов протекающих в межэлектродном пространстве на резание;

3.   Обосновано, что съем материала происходит путем расплавления. Точный расчет температуры в области разряда невозможен, что вызвано тремя источниками теплоты: от механической работы, нагрева вызванного прохождением тока через инструмент и заготовку из-за электрического сопротивления, а так же из-за возникновения дуги в МЭП;

4.   Решения на ЭВМ температурных задач с учетом подвижности границ расплава при воздействии единичного импульса показали, что потери энергии составляют больше половины;

5.   Построенные эпюры остаточных тангенциальных напряжений показали,  что величина растягивающих остаточных напряжений с ЭКО находится в пределах 4901470 МПа на глубине поверхностного слоя до 0,1 мм, которые переходят в снимающие напряжения, максимальная величина которых, в среднем, составляет 880 МПа.

6.   Степень наклепа на поверхности сплава изменяется от 20% до 30% и можно предложить, что формообразование происходит посредством механического воздействия инструмента и заготовки.

7.   Неоднородность фазово-структурных превращений объясняется специфическими особенностями обработки сплава ЭКО. И наблюдаемые крупноигольчатые структуры мартенсита объясняются наличием участков перегрева и они имеют высокие механические свойства.

8.   Разработана имитационная модель, выполненная методом конечных элементов, для сравнения полученных микроструктур и результаты, которого дают удовлетворительную сходимость для сплава 500Х40Н40С2 при ЭКО.

9.   Разработана комплексная методика, определения стабилизирующих режимов электроконтактной обработки.

 

Список опубликованных работ по теме диссертации:

 

1.   Швоев В.Ф., Уалиев Д.Ш. Некоторые проблемы электроконтактной обработки металлов. Караганда: Труды университета, 2001 г. – С.36-37.

2.   Швоев В.Ф., Уалиев Д.Ш. Влияние параметров электроконтактной обработки (ЭКО) на свойства поверхностного слоя. Тезисы докладов IX Республиканская научно-техническая конференция «Сварка и контроль качества» - Караганда: КарГТУ, 2001 г. – С.44-47.

3.   Швоев В.Ф., Уалиев Д.Ш. Исследование параметров резания при электроконтактной обработке. Труды Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы горно-металлургического комплекса Казахстана» посвященная 50-летию КарГТУ, Караганда: КарГТУ, 2003 г. – С.302-305.

4.   Швоев В.Ф., Уалиев Д.Ш. Исследование микроструктуры обработанной поверхности. Материалы Международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане». – Алматы: КазНТУ, 2007 г. – Том 2. – С. 255-259.

5.   Мендебаев Т.М., Уалиев Д.Ш. Исследование температурного поля возникающего при электроконтакной обработке в деталях. Материалы Международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане». – Алматы: КазНТУ, 2007 г. – Том 2. – С. 259-264.

6.   Мендебаев Т.М., Бузауова Т.М., Уалиев Д.Ш. Меры улучшения технологии ремонта бронедиска. Труды  Международная научная конференция «Наука и образование – ведущий фактор стратегии «Казахстан 2030» - Караганда: КарГТУ, 2008 г. – Выпуск 2. – С.174-176.

7.   Уалиев Д.Ш. Физические явления при электроконтактной обработке.Темиртау: Технология производства металлов и вторичных материалов, 2008 г. - №1(13) – С.218-221.

8.   Мендебаев Т.М., Уалиев Д.Ш. Исследование наклепа после электроконтактной обработки: Алматы, Вестник КазАТК, 2008, №5, С.63-66.

УӘЛИЕВ ДӘНИ ШАЙХМАХМЕТҰЛЫ

 

Электрлік түйісу арқылы өңдеудің өнімділігін және өңделген беттің сапасын артыру үшін тұрақтандыру режимдерін зерттеу

 

05.03.01 – «Механикалық, физико-техникалық өңдеу технологиялары мен жабдықтары» мамандығы бойынша техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін ізденуге

 

ТҮЙІН

 

Қазіргі заманда Қазақстанның таукен машина жасау өндірісінің дамуы, жабдықтарды дайындау және жөндеу үрдістерінің күрделілігімен және еңбек шығындылығымен ерекшеленеді. Осы мәселенің шешу жолдарының бірі болып өнімділікті артыру арқылы бұыймды өңдеу мен жөндеу бағасын азайту. Өнімділікті артыру әртүрлі жолдармен жетуге болады. Осы мәселенің шешімі ретінде ЖШС «Казахмыс» корпорациясының құю-механикалық зауытында сорап сауыт дискісісн жөндеу мен өңдеу кезінде жетік өңдеу әдісін қолдануымен жүзеге асқан.

Бірақ қазіргі таңда жетік өңдеу әдісітер қолданыстағы белгілі өңдеу әдістеріне қарағанда толығымен зерттелмеген.

Флотациялық жабдықтардың қатарына жататын сорап сауыт дискісі ауыр тозу қолданыс ортасында жылдам тозуға ұшырайтын бұйым болып табылады. Сорап сауыт дискісінің орташа жұмыс мерзімі сегіз ай шамасында, содан соң тозу дәрежесінің бұйымға әсеріне қарай ол, не қайта өңделеді, не қолданыстан шығарылады. Сорап сауыт дискісі бұйымының дәлдік талаптары қатаң болмағандықтан оны жоғары өнмді әдістермен өңдеуге болады. Осы әдістердің бірі ретінде электрофизикалық және электрохимиялық әдістер қатарына жататын электірлік түйісу арқылы өңдеу (ЭТӨ) әдісі болып табылады.

Сорап сауыт дискілердің қорытпа 500Х40Н40С2 жиегіне балқыту жолымен қайта өңдеуді электірлік түйісу арқылы өңдеу ұсынылған, оны қолдану нәтижесінде өнімділік артқан. Сонымен қатар, электірлік түйісу арқылы өңдеуді қолдану кемшілгі болып берілген бұйм бетінің сапасын алу үшін өңдеу режимдерін таңдаудың қиындылығына байланысты. Бұл өңдеудің қиындылығы алдымен өңдеу аймағындағы өтетін үрдістердің толығымен зерттелмеуінде.

Электірлік түйісу арқылы өңдеу тоқ өткізгіш дайндамадан материалды сылумен ерекшеленеді. Осы өңдеу әдісін талдай отырып тоқ өткізгіш дайындаманы өңдеу кезінде кез келген физико-механикалық қасиетері бар материалдар үшін аз мөлшердегі механикалық күш түсірумен және өңделіп отырған бұйм бетімен өңдеуші аспап арасында механикалық түйісу байқалмайды. Бұл алынған нәтижелер өңделіп отырған дайндаманың физико-механикалық қасиеттері өңдеу үрдісінің негізгі технологиялық көрсеткіштерге аз тәуелді есместігін көрсетті.

Сонымен, осы өңдеу процесінің үйлесімді моделін құру арқылы және бұыйм бетінің сапасын зерттей отырып, өнімділікті артырып және белгілі өңделген беттің сапасын алуға қол жеткізуге болады.

Диссертациялық жұмыста электірлік түйісу арқылы өңдеу кезінде өңдеу режимдерінің бұйым бетінің сапасына әсерін анықтау үшін және сол арқылы осы өңдеу кезіндегі физикалық үрдістің түсніктемесін беру жолымен өзекті ғылыми талап шешілген.

Орындалған зерттеулердің негізгі ғылыми қортындылары және тәжирибелік нәтижелері:

Әдебиет көздері мен материалдарды талдау нәтижелері барысында электірлік түйісу арқылы өңдеу қиын өңделетін бұймдар үшін өнімділікті артыратынын көрсетті.

Электірлік түйісу арқылы өңдеу кезінде технологиялық параметрлердің кесу күшіне сызықтық тәуелділігі айқындалды;

Электрод аралық кеңістікте өтетін үрдістің кесу үрдісіне әсері анықталды;

Материалдың сылымы балқыту жолымен өтеді. Разряд аймағындағы температураны дәл есптеу мүкін еместігі жылудың үш көзіден тұратындығынан айқындалды, олар: механикалық жұмыс жылуы, аспап пен дайындама арасында өтетін тоқтың электрлік кедергі салдарынан туатын жылуы және электрод аралық кеңістікте электр доғасынан пайда болатын жылу;

Бірлік импульс әсері, балқыма шекарасын ескере отырып, ЭЕМ-де температуралық есептің шешімі энергия шығынының жартысынан көбін құрайтынын көрсетті;

Қалдықтық тангенциал кернеулер эпюрасын құру нәтижесінде электірлік түйісу арқылы өңдеу барысында беттік қабаттың 0,1 мм дейін қалдықтық керу кернеуі шамасының 4901470 МПа аралығында болатыны және олардың орташа шамада максиамл мәні 880 МПа сылым кернеуіне өтетіні анықталды;

Қортылма бетіндегі жапсырма дәрежесінің 20%-дан 30%-ға дейін өзгеруі айқындалды және оның түзілуі аспап пен дайндама арсасындағы механикалық әсерден болатыны ұйғарылды;

Фаза-құрылымдық өзгерулердің бір текті еместігі электірлік түйісу арқылы қорытпаларды өңдеу ерекшеліктерімен түсіндіріледі. Бақыланған ірі ине тәрізді мартенсит құрылымдардың пайда болуы қайта қызу аймақтарының пайда болуымен және олардың жоғары механикалық касиеттерімен түсіндіріледі;

Шекті элементтер жүйесімен модельдеу негізінде электірлік түйісу арқылы өңделген 500Х40Н40С2 қорытпа үшін имтациялық моделі құрылған және оның эксперименталдық мәліметтермен 15% аралығында сәкес келу дәлелденді.

 

UALIEV DANI

 

Investigation of stabilizing regimes electro contact processing to improve productivity and quality of treated surface

 

05.03.01 major - mechanical and physics-technical

processing technology and equipment

 

SUMMARY

 

The development of the mining industry of Kazakhstan, which is the main part of contemporary production, is based on the application of complex and labor-consuming processes in production and renovation of equipment, resulting in increased energy and labor expenses. An increase in productivity is one of the ways of decreasing the cost of production and renovation. It can be reached by different methods. At the foundry-mechanical  of the Kazakhmys PLC company which manufactures and repairs equipment for the mining and dressing plants, such result were achieved in production.

In comparison with the traditional methods, the application of progressive methods of working is associated with some difficulties, in particular with the lack of study of such methods.

In connection with the specific conditions, the floatation equipment wears out quickly. One of the most wear out element of the centrifugal pumps is bronedisk. For the pumps the average lifetime of bronedisks is eight months, after that they are restored or are manufactured anew. The bronedisks are the details that do not require the accurate processing, there fore for increasing the productivity of their production it is possible to use the highly productive methods. One of these methods are the electro physical and electrochemical methods, including electrocontact machine treatment of metals and alloys.

For processing of bronedisks, restored by surfacing the edges with 500X40H40C2 alloys, the electro contact machine treatment ( ECM) was proposed to increase productivity. The (ECM) application has some disadvantages, associated with the difficult choice of treatment for surfaces with the given quality. The difficulties of this processing are connected first with the uninvestigated processes occurring in the area of treatment.

The electro contact machine treatment is intended for the material removal from the current-conducting surface of the billet.

The analysis of this type of treatment showed that the treatment of conductive material of any physical and mechanical properties is carried out without the application of significant mechanical efforts and without direct mechanical contact of the surface of the manufacturing tool with the workable surface of the billet, and with the less dependence of the basic technological indices of the process on physical and mechanical properties of material.

Thus the development of the adequate model of physical processes, the research of the surface layer quality and cutting forces would lead to increasing of productivity and obtaining the desired product quality.

In the dissertation work the urgent scientific problem of studying the influence of the processing mode on the quality of the electrochemically treated surface layer and the explanation of the following physical processes are solved and explained.

The basic scientific conclusions and the practical results of the completed investigations are as follows.

Literary sources and materials have shown the need of using the electrocontact treatment for increasing the productivity.

Linear dependence of cutting forces ECT on the other technological  parameters.

Influence of processes, taking place in the inter electrode space on the cutting processes.

Material removal occurs via melting. The precise temperature calculation in the region of discharge is impossible due to three sources of heat: mechanical work, electric current heating of the tool and the billet because of electrical resistance, and because of the arc appearance.

Computer solving temperature tasks, taking into account the mobility of the boundaries of melting (fusion) under the influence of single pulse, showed that the energy losses were more than a half.

The constructed diagrams of the residual tangential tensions showed that the value of the residual tensile tensions (ECT) is within the limits of 4901470 MPa at the surface layer depth up to 0.1mm and are moving into the removing tension whose maximum value is 880 MPa on the average.

The degree of hardening on the alloy’s surface varies from 20% to 30% and it is possible to assume that the forming occurs through the mechanical action of the tool and the billet.

The specific features of ECT proceeding explain the heterogeneity of the phase structural transformations. And the observed coarse-acicular structures of martensite are explained by the presence of over heated areas, having high mechanical properties.

The imitation model for 500X40H40C2 alloy under the ECT system of the finite element modeling, which gives gods satisfactory convergence for the experimental data and the output data of the imitation model.