Тема. Поиск решения научно-технической задачи

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Практическая работа №7

2018/2019 уч. г.

Тема. Поиск решения научно-технической задачи

На уровне изобретения

Цель работы: освоение знаний, умений и приобретение навыков применения основных понятий теории решения изобретательских задач.

В результате выполнения заданий практической работы студент должен:

Знать

- содержание описаний устройства, способа и вещества, как объектов изобретения;

- виды противоречий, существующих и обостряющихся в технических объектах, причины их обострения;

- сущность понятия идеального технического решения;

Уметь

- осуществлять анализ проблемной ситуации и постановку научно-технической задачи;

- формулировать технические противоречия, обостряющихся в технических объектах при введении в них изменений;

- определять узловой элемент технического противоречия и формулировать физическое противоречие;

Владеть

- навыками постановки изобретательской задачи;

- навыками поиска технического решения на уровне изобретения, используя известные физические эффекты, таблицы и списки типовых приемов преодоления противоречий, фонды эвристических приемов др.

Краткие теоретические сведения

Постановка задачи

Наиболее распространенным классом задач научно-технического творчества являются задачи, в которых требуется улучшить известный технический объект (устройство, процесс, вещество) путем введения в него определенных изменений. Такой объект называют прототипом для разрабатываемой улучшенной модели.

Непосредственной постановке задачи предшествует изучение проблемной ситуации, которая представляет собой развернутое описание технического объекта, условий его функционирования, недостатков выполнения им заданных функций и т.д. При этом стремятся выделить в проблемной ситуации две относительно самостоятельные части: ситуацию и саму проблему и кратко их сформулировать.

При выделении проблемы исходят из понимания того, что любой технический объект создан для удовлетворения определенной потребности общества. При этом в момент создания и использования технического объекта всегда возникает и действует социально-техническое противоречие, которое отражает возможности созданного объекта удовлетворять заданную потребность. Это противоречие незаметно, пока не изменяется количественно или качественно эта потребность. Однако, с появлением качественно новой потребности или количественного роста существующей потребности, которые имеющийся технический объект не способен удовлетворять, то происходит обострение социально-технического противоречия.

Обострение социально-технического противоречия проявляется на уровне внешнего функционирования объекта, как несоответствие между свойствами используемого технического объекта и предъявляемыми к нему новыми требованиями. Это несоответствие указывается в проблемной ситуации в виде определенного недостатка используемого технического объекта. Собственно, этот недостаток и позволяет кратко сформулировать проблему в виде ответа на вопрос: «В чем заключается проблема или затруднение?». Например, «существующий раскатник имеет малые технологические возможности, в частности, не обеспечивает высокое качество обработки конусных отверстий» или «устройство центробежного метода обработки не обеспечивает высокую эффективность упрочнения деталей» и т. п.

Выделение ситуации заключается в установлении условий и обстоятельств, которые, по сути, являются причинами возникновения проблемы и, как правило, связаны с внутренним функционированием рассматриваемого технического объекта. Они определяются составом и взаимодействием элементов ТО, их свойствами и т.п. Возникновение проблемы может быть обусловлено также изменением внешних условий функционирования ТО, например, расширением номенклатуры обрабатываемых изделий, повышением уровня требований к безопасности эксплуатации ТО и т.д.

В краткой форме ситуация, обуславливающая проблему, записывается в виде ответа на вопрос: «Каковы причины возникновения проблемы?», например,

· отсутствие в приспособлении элементов, обеспечивающих движение обката инструментом обрабатываемой поверхности;

· при выведении энергоустановки в космическое пространство тепловые трубы подвергаются вибрационным, инерционным и акустическим воздействиям;

· наличие в устройстве большого числа движущихся частей;

· и т. п.

Результаты анализа проблемной ситуации составляют основу формулировки технической задачи. В ней, как и в любой другой (экономической, математической и др.), формулируют цели задачи, описывают условия, при которых эти цели должны быть достигнуты. В общем случае формулировка технической задачи имеет следующий вид.

Дано:

1) исходный технический объект (выбранный прототип, краткое его описание);

2) описание технической функции ТО;

3) список недостатков прототипа;

4) перечень требований к новой модели ТО.

Требуется:

найти такое техническое решение, которое …(далее указываются, какими свойствами, возможностями и т.п. должен обладать новый технический объект).

Задание

Сформулировать техническую задачу устранения проблемной ситуации, приведенной в приложении. Произвести поиск идей технического решения, позволяющего устранить эту проблемную ситуацию. Дать описание технического решения, разработанного на основе найденной идеи решения поставленной задачи.

Порядок выполнения работы

1. Изучите проблемную ситуацию. Выясните, какой технический объект не удовлетворяет предъявляемым требованиям – устройство, способ (процесс) или вещество. Опишите проблемную ситуацию в краткой форме в виде ответов на вопросы:

1) в чем заключается проблема или затруднение?

2) какую потребность надо удовлетворить, т.е. какой желаемый результат необходимо достичь?

3) что мешает устранению проблемы (причины возникновения проблемы)?

4) что дает устранение проблемы для людей, предприятия, народного хозяйства и т.д.?

2. Принимая за прототип ТО, приведенный в проблемной ситуации, сформулируйте исходную техническую задачу, решение которой устраняет проблемную ситуацию. В постановке задачи четко обозначьте две части: “дано”, “требуется”.

3. Выполните поиск решения задачи известными вам методами, т.ч. вашей интуицией. Опишите подробно физическую или иную сущность найденного решения в вербальной форме. При необходимости дополните описание решения графическим отображением.

4. В случае отсутствия вашего решения поставленной задачи подробно опишите предлагаемое в проблемной ситуации ее техническое решение.

5. Выясните, какой нежелательный эффект вызывает применение вашего или предлагаемого технического решения задачи (какой критерий объекта будет ухудшаться)?

6. Сформулируйте техническое противоречие, которое будет обостряться при принятии предлагаемого решения, а также:

· выясните узловой компонент противоречия и значения его параметра, вызывающее положительный и отрицательный эффекты;

· сформулируйте физическое противоречие в виде противоположных одного к другому требований к узловому компоненту противоречия и достигаемых при этом целей.

· продумайте, какие идеи могут составить основу технического решения, разрешающего физическое противоречие. Укажите из найденных идей ту, которая, по вашему мнению, является наилучшей. Дайте обоснования для принятия этой идеи в качестве основы технического решения.

7. Сформулируйте идеальное техническое решение задачи и выполните поиск идей решения задачи на его основе. В случае удачного поиска опишите найденную идею решения задачи.

8. Укажите из найденных идей ту, которая, по Вашему мнению, является наилучшей. Дайте обоснования для принятия этой идеи в качестве основы технического решения. Составьте описание технического решения поставленной в работе задачи.

9. Составьте отчет о выполненной работе.

4. Пример оформления отчета

Проблемная ситуация

Листовую сталь (прокат) производят на многоклетьевых прокатных станах, каждая клеть которых имеет рабочие (обжимные) 2 и подающие 3 валки (см. рис.1). Последние транспортируют заготовку-лист 1 в зону расположения рабочих валков, вращающихся навстречу друг другу. Втягиваясь в зазор между рабочими валками, лист деформируется с уменьшением его толщины на заданную величину обжатия. Последовательная раскатка листа во всех клетях стана позволяет уменьшить исходную толщину листа до требуемой величины в готовом прокате.

Оценка технического уровня используемого на предприятии многоклетьевого стана показала, что по своему качеству он уступает аналогичным станам мирового уровня. При этом показателем качества, по которому применяемый стан уступает по качеству образцу-аналогу, является его длина, превышающая длину стана-образца. Выявлено, что длина прокатного стана определяется количеством пар рабочих валков 2, число которых, в свою очередь, зависит от величины общего обжатия стального листа.

Какое техническое решение можно предложить по повышению качества многоклетьевого стана, не ухудшая технологические возможности стана по величине обжатия прокатываемого листа?

Поиск решения задачи

Технического противоречия

Причинно-следственная цепочка структуры технического противоречия, обостряющегося при использовании рабочего валка малого диаметра, и результаты инверсии ее звеньев, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Структура технического противоречия между величиной обжатия и качеством листового проката

Частные задачиисходной задачи уменьшения количества клетей прокатного стана:

1) задача достижения большой величины обжатия прокатываемого листа рабочим валком, имеющим большой диаметр;

2) задача создания высокой жесткости рабочему валку при его малом диаметре;

3) задача обеспечения высокой сопротивляемости валка изгибу при низкой его жесткости;

4) задача обеспечения малой величины прогиба валка при низкой сопротивляемости его изгибу;

5) задача обеспечения высокого качества прокатанного листа при большой величине прогиба рабочего валка в процессе прокатки.

Идеи технических решений перечисленных частных задач. Основу технического решения задачи 1 может составить идея нагрева прокатываемого стального листа до температуры, при которой материал листа приобретает высокую пластичность и не снижает при этом свои прочностные характеристики.

В задаче 2 требуется разработать такой прокатный валок, который при своем небольшом диаметре обладал бы высокой жесткостью при изгибе. Учитывая, что жесткость валка при изгибе определяется модулем упругости его материала и диаметром поперечного сечения, то идеи по повышению жесткости валка в виде цилиндра, не увеличивая его диаметр, связаны с поиском материалов, имеющих более высокий модуль упругости по сравнению со сталью. Идей по использованию таких материалов нет.

Идеей технического решения задачи 3 является создание в материале прокатного валка напряжений, создающих дополнительное с материалом валка сопротивление изгибу [9].

Идею решения задачи 4 составляет применение дополнительных опорных валков, установленных вместе с рабочими валками в одной вертикальной плоскости.

Идей решения задачи 5 нет.

Поиск идей разрешения физического противоречия. Узловым элементом противоречия является рабочий валок клети стана. Способность валка обеспечить большую величину обжатия стального листа и высокое качество прокатанного листа определяется величиной его диаметра. Валок малого диаметра обеспечивает большую степень обжатия прокатываемого листа, но прокатанный таким валком лист имеет низкое качество. Валок же, имеющий большой диаметр, обеспечивает хорошее качество проката, но малую величину его обжатия.

Физическое противоречие. Рабочий валок стана должен иметь малый диаметр, чтобы обеспечивать большую величину обжатия прокатываемого листа, но рабочий валок стана должен иметь большой диаметр, чтобы обеспечивать высокое качество прокатанного листа.

Идея технического решения, разрешающего физическое противоречие. Использовать в клети стана рабочий валок с разной величиной диаметра поперечного сечения вдоль его оси. Образующей рабочей поверхности такого валка может быть парабола, например, второй степени, вершина которой расположена на оси центрального поперечного сечения валка, а ее ветви направлены к оси валка (а.с. №398298). Это решение удовлетворяет указанным требованиям как в задаче 1, так и задаче 5 и базируется на известных положениях науки о сопротивлении материалов при изгибе балок.

Техническое решение задачи

В качестве технического решения поставленной задачи по увеличению степени обжатия рабочими валками стального листа, являющейся частной по отношению к исходной задаче уменьшения длины прокатного стана, принимаем решение по изменению геометрической формы рабочего валка. Согласно этому решению, обжимной валок имеет образующую своей рабочей поверхности в виде параболы второй степени, вершина которой расположена на оси центрального поперечного сечения валка, а ее ветви направлены к продольной оси валка

Приложение

Рис. П.4

В изготовленных по такой технологии железобетонных конструкциях возникающие при изгибе растягивающие силы частично или полностью будут компенсированы внутренними напряжениями сжатия, созданными предварительным сжатием бетона. Является очевидным, что такие железобетонные изделия будут прочнее конструкций, выполненных по традиционной технологии, в которой арматура заливается бетоном в исходном, не растянутом состоянии.

Вместе с тем приведенная технология получения предварительно напряженного бетона имеет существенный недостаток: в ней используется сложное оборудование для удлинения арматуры (гидравлический домкрат, отдельная гидросистема для обеспечения работы домкрата и т.д.).

Какие технические решения можно предложить, позволяющие упростить технологию изготовления конструкций с предварительно напряженным бетоном с точки зрения применяемого оборудования?

Предложенное техническое решение проблемы. С целью упрощения существующего устройства для удлинения арматуры предложена система электротермического удлинения стержней, состоящая из источника электрической энергии 4 и токопроводящих кабелей 5 (рис. П.5). Эта система работает следующим образом.

Через вложенную в форму 2 арматуру пропускают электрический ток, вызывая ее нагрев. При достижении требуемой степени удлинения арматуры 1 в результате ее нагрева концы арматуры закрепляют с помощью зажимов 3 и прекращают нагрев. После того, как арматура несколько остынет, ее заливают бетоном.

Применение системы электротермического удлинения арматуры позволяет устранить основной недостаток используемой гидравлической системы – ее сложность. Вместе с тем известно, что величина изменения линейных размеров тел при их нагревании находится в прямой зависимости от температуры их нагрева. Несложные расчеты показывают, что для достижения требуемой величины удлинения арматуры, ее необходимо нагревать до температуры свыше 400°С. Однако такая температура нагрева вызывает отжиг стали, из которой сделана арматура, тем самым снижается прочность арматуры.

Предложить техническое решение для использования системы электротермического удлинения стержней взамен гидравлической, но не допускающей снижения прочности арматуры.

Проблемная ситуация 4. На финишных операциях обработки деталей машин часто применяют методы поверхностного пластического деформирования (ППД). Сущность этих методов заключается в пластическом деформировании (без стружкообразования) тонкого поверхностного слоя обрабатываемой детали скользящим или катящим, или ударяющим по ней инструментом – выглаживателем, шаром, роликом и др. В результате такой обработки уменьшается высота неровностей поверхности, упрочняется материал поверхностного слоя, повышаются износостойкость деталей, коррозионная стойкость, усталостная прочность и другие эксплуатационные свойства.

В зависимости от способа ППД применяют различные устройства для пластического деформирования обрабатываемой поверхности, одно из которых приведено на рис.П.6.

Инструмент 1, выполненный в виде полного кругового цилиндра, имеет радиально рифленые торцевые поверхности 2, посредством которых он закрепляется в переходнике 3 с помощью болта 4. Переходник 3 устанавливается и закрепляется винтом 6 в державке 5.

Для осуществления процесса деформирования державка 5 крепится, например, в резцедержателе токарного станка. К поверхности вращающейся детали подводят инструмент 1, прижимают его с заданной силой и сообщают ему движение подачи вдоль детали. Величина подачи при этом не превышает ширину b области контакта 7 инструмента 1 с обрабатываемой поверхностью.

По мере износа участка контакта боковой цилиндрической поверхности инструмента его поворачивают относительно оси Z - Z на некоторый угол a, величина которого зависит от ширины b участка 7. При износе инструмента по окружности, его переставляют вместе с переходником 3 по высоте Н в зависимости от величины h изношенного участка 7. После износа инструмента и по его образующей цилиндрической поверхности его перетачивают, срезая изношенную рабочую поверхность.

Легко видеть, что применение инструмента в виде полного кругового цилиндра позволяет увеличить срок его службы (долговечность) по сравнению с традиционно применяемым инструментом. Последний представляет собой выглаживатель с рабочей поверхностью в виде части боковой поверхности цилиндра.

Вместе с тем, описанное устройство не полностью решает проблему увеличения долговечности выглаживающего инструмента, так как в процессе работы цилиндрического выглаживателя изнашивается не вся его боковая поверхность, а только отдельные ее локальные участки. При переточке же инструмента вместе с изношенными участками удаляются и неработавшие части поверхности, что снижает срок его службы.

Какие технические решения можно предложить, позволяющие увеличить долговечность инструмента в виде полного кругового цилиндра.

Предложенное техническое решение проблемы. В а. с. № 416227 предложено устройство, повышающее долговечность инструмента. В предлагаемом устройстве (рис. П.7) инструмент установлен в переходнике 2 на винтовых опорах 3, выполненных в виде подвижного резьбового соединения. Переходник через державку 4 закрепляется на станке. Перед работой инструмент устанавливают под углом скрещивания с осью детали. В процессе работы, вследствие вращения детали и подачи инструмента, он получает вращение и перемещение вдоль своей оси. После того как инструмент займет крайнее положение в переходнике 2, процесс обработки прерывают, переходник 2 освобождают, поворачивают его на 180° и закрепляют винтом 8. Затем возобновляют процесс обработки детали.

Нетрудно заметить, что техническое решение по а. с. № 416227 действительно позволяет многократно увеличить срок службы инструмента по сравнению с решением, изложенным в проблемной ситуации 4. Однако применение решения по а. с. № 416227 приводит к дополнительным затратам времени по переустановке инструмента и, следовательно, к снижению производительности процесса обработки деталей.

Найти технические решения, позволяющие на основе предложения по а. с. № 416227 решить проблему долговечности инструмента, не вызывающие снижение производительности обработки деталей.

Проблемная ситуация 5. Для упрочнения прямолинейных фасок 5 отверстий используется коническая однороликовая раскатка, содержащая консольно установленный в корпусе 1 ролик 3 с конической рабочей поверхностью (рис. П.8,а). Ролик имеет возможность свободного вращения в опорах 2. Необходимая сила давления ролика на обрабатываемую поверхность фаски задается пружиной 6. Раскатка работает следующим образом.

Перемещением раскатки вдоль оси вращающейся детали 4 ролик 3 вводится в зону обработки. Затем раскатке сообщают поперечную подачу S до прижатия ролика 3 к поверхности фаски 5 с требуемой силой. Войдя в соприкосновение с фаской, ролик обкатывает поверхность фаски, вызывая при этом пластическую деформацию материала поверхностного слоя. В результате обкатывания уменьшается шероховатость поверхности фаски, увеличивается ее контактная прочность.

Обеспечивая высокую эффективность обработки прямолинейных фасок, описанная раскатка имеет существенный недостаток. С ее помощью не удается обработать фаски с выпуклой криволинейной образующей (рис. П.8,б).

Какие технические решения по изменению конструкции раскатника можно предложить, которые обеспечивали бы его технологические возможности обработки фасок с выпуклой криволинейной образующей?

Техническое решение проблемы. Технологические возможности раскатки можно расширить, если корпус 2 опор рабочего ролика 3 соединить с корпусом 1 раскатки с помощью шарниров 6, 9 и 10 и упругого звена 7 (рис. П.9). Такая связь ролика с корпусом раскатки позволит ему помимо вращательного движения совершать качательное движение относительно опоры 10.

При обработке фаски с криволинейной образующей такой раскатке задают посредством поперечной подачи S возвратно-поступательное перемещение, а детали 4 – вращательное движение. При этом ролик 3, прижатый к поверхности фаски 3 с заданной силой, совершает качательное движение, а образующая его конуса последовательно огибает криволинейную поверхность фаски, тем самым осуществляется процесс упрочнения поверхностного слоя фаски.

Легко заметить, что введение шарнирных связей между рабочим роликом и корпусом раскатки позволит расширить ее технологические возможности, но при этом обусловит значительное усложнение конструкции раскатки.

Предложить другие технические решения, основу которых составляет принцип качательного движения инструмента, но без заметного усложнения конструкции раскатки.

Проблемная ситуация 6. В самолетостроении, автомобилестроении большое распространение получили болтовые и заклепочные соединения плоских деталей типа пластин, дисков и т.п. При этом многие из них работают в условиях действия знакопеременных нагрузок. К таким деталям предъявляют повышенные требования к их усталостной прочности, особенно в связи с наличием в них различных отверстий, являющихся концентраторами напряжений.

Установлено, что при действии знакопеременных нагрузок усталостные трещины зарождаются у кромок отверстий. Поэтому при изготовлении деталей с отверстиями стремятся повысить их усталостную прочность путем упрочнения наклепом материала в окрестности торцов отверстий.

К настоящему времени предложен целый ряд способов упрочнения плоских деталей с отверстиями. Один из них заключается в том, что с двух сторон детали 1 (рис. П.10) вокруг отверстия 2 формуют кольцевые углубления 3 и 4, концентричные с отверстием. Однако такой способ упрочнения материала на кольцевых участках 3, 4 вокруг отверстия только в определенной степени увеличивает усталостную прочность детали. При работе таких деталей усталостные трещины, как показали исследования, возникают уже на неупрочненной поверхности 5 отверстия.

Какие технические решения можно предложить, которые в большей степени обеспечивают усталостную прочность детали с отверстиями по сравнению с вышеописанным решением?

Предложенное техническое решение проблемы. С целью обеспечения более высокой усталостной прочности деталей, имеющих отверстия с коническими фасками, был предложен способ упрочнения, заключающийся в следующем.

На поверхностях детали 1 (рис. П.11) путем холодного пластического деформирования образуют концентричные цилиндрические углубления 2 и 7 вокруг отверстия 6 и конической фаски 5. Далее формуют коническую ступень 4 внутри отверстия со стороны фаски и цилиндрическое углубление 3 между конической ступенью 4 и фаской 5. При этом глубину конической ступени и цилиндрических углублений выполняют с размерами одного порядка. Например, в деталях из дуралюмина Д16Т толщиной 10 мм с отверстием 6 диаметром 8 мм и фаской 5 диаметром 18 мм формуют цилиндрические углубления 2 и 7 глубиной 0,25 мм. Как показали результаты усталостных испытаний, долговечность упрочненных по такому способу деталей увеличивается более чем в 2 раза.

Вместе с тем было установлено, что формирование углублений 2, 3 и конусной ступени 4 сопровождается большим градиентом пластической деформации, как по толщине детали, так и в радиальном направлении от отверстия. Такое распределение деформации способствует возникновению изгиба или коробления упрочняемых деталей, т.е. появлению погрешности формы.

Найти техническое решение, которое бы устраняло недостаток предложенного в работе способа повышения усталостной прочности деталей.

Проблемная ситуация 7. Для отвода тепла от космической энергетической установки было предложено использовать холодильник-излучатель, представляющий собой набор жидкометаллических тепловых труб (ТТ). Тепловая труба состоит из металлического корпуса 1, выполненного в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, торцевых заглушек 2 и фитиля 3, "пропитанного" легкоплавким металлом, например натрием (рис. П.12). Для обеспечения работоспособности тепловой трубы из ее внутренней полости откачивается воздух до высокой степени вакуума. Отвод тепла осуществляется следующим образом.

Поступающая, например, через левую часть корпуса трубы теплота расплавляет натрий, вызывая его кипение. Пары натрия в соответствии с принципами конвекции перемещаются в холодную часть трубы, где конденсируются, отдавая теплоту корпусу трубы. Жидкий натрий посредством фитиля поступает в горячую зону, здесь вновь испаряется и т.д.

При выведении энергоустановки в космическое пространство тепловые трубы подвергаются вибрационным, инерционным и акустическим воздействиям. Эти воздействия вызывают потерю устойчивости герметического корпуса у отдельных тепловых труб. Корпус, как говорят, "схлопывает" (сплющивается).

Какие технические решения можно предложить с целью повышения устойчивости корпуса тепловых труб?

Техническое решение проблемы. Повысить устойчивость герметического корпуса тепловой трубы можно либо за счет увеличения жесткости цилиндрического корпуса трубы, либо за счет выравнивания давления воздушных сред внутри и вне тепловой трубы. Рассмотрим некоторые из возможных технических решений реализации этих идей. Жесткость корпуса трубы можно повысить путем увеличения толщины его стенки. Однако в этом случае увеличится термическое сопротивление корпуса и КПД тепловой трубы снизится. Устойчивость корпуса тепловой трубы можно повысить, заполнив ее внутреннюю полость легким газом, например, гелием с давлением чуть больше атмосферного. Но наличие гелия вызовет определенное сопротивление свободному движению паров натрия и, следовательно, ухудшится конвективный теплообмен, осуществляемый внутри трубы.

Найти технические решения по устранению недостатка любого из рассмотренных способов повышения устойчивости корпуса тепловой трубы.

Весьма полезным при поиске решения является учет следующих моментов:

· гелий легко проходит через поры и микротрещины;

· корпус трубы испытывает вибрационные, инерционные и акустические воздействия только при выведении энергоустановки в космическое пространство.

Проблемная ситуация 8. В числе важнейших задач машиностроения является задача повышения долговечности изделий. Объективным ограничением на пути увеличения долговечности деталей машин является наличие конструктивных концентраторов напряжений в виде отверстий, галтелей (переходных поверхностей), карманов, пазов и т.п. Установлено, что такие концентраторы напряжений уменьшают усталостную прочность деталей от 2 до 5 раз по сравнению с деталями с гладкими поверхностями. В то же время можно уменьшить влияние концентраторов напряжений на долговечность деталей, работающих в условиях действия знакопеременных нагрузок, если упрочнить металл, охватывающий отверстия и галтели. С этой целью используют различные методы упрочнения поверхностным пластическим деформированием: дорнование, раскатывание, упрочнение чеканкой, дробеструйный наклеп и др.

В частности, при дробеструйном упрочнении наклеп создается динамическим воздействием направленного потока дроби или шариков на поверхность отверстия. Данный метод может быть осуществлен с помощью устройства, приведенного на рис. П.13.

Устройство содержит трубчатый корпус 1, внутри которого помещены упрочняющие шарики 2. Корпус выполнен в виде скобы, состоящей из двух колен. Колено 7, несущее сопло 5 для подачи сжатого воздуха, является стационарным, а колено 8 – подвижным, и оба колена соединены замкнутым, гофрированным эластичным элементом 9. Соединение колена 7 и колена 8 устройства выполнено в виде фиксирующего элемента 10.

Торцы 3 и 4 колен расположены на прямолинейном участке скобы соосно и выполнены утолщенными, что обеспечивает устойчивое положение устройства на детали. Перед соплом 5 расположен перфорированный участок 6 для выхода отработанного воздуха.

Устройство работает следующим образом. В зависимости от толщины детали настраивают зев скобы путем перемещения подвижного колена 8 относительно колена 7 и фиксируют их элементом 10 так, что оси торцов 3 и 4 этих колен совпадали с осью отверстия. Помещают в канал корпуса 1 шарики 2 и подают сжатый воздух, который захватывает шарики и разгоняет их. Шарики при движении ударяются о поверхность отверстия и производят пластическую деформацию материала этой поверхности. После отверстия шарики движутся по каналу корпуса. На перфорированном участке 6 воздух уходит в атмосферу, а шарики захватываются поступающим по соплу 5 сжатым воздухом, вновь поступают в отверстие детали и т.д. Процесс продолжается до полного упрочнения стенок отверстия, после чего отключают сжатый воздух, снимают устройство с детали и переносят его на очередное отверстие. В случае изменения толщины детали перенастраивают зев скобы, перемещая колено 8. затем производят упрочнение.

Эффективность дробеструйного упрочнения зависит от энергоемкости потока, которая определяется кинетической энергией движущихся шариков и углом их соударения с обрабатываемой поверхностью. Поскольку кинетическая энергия шариков затрачивается на работу по пластическому деформированию металла, то наибольшая эффективность упрочнения достигается при движении потока шариков по нормали к упрочняемой поверхности.

Установлено, что описанное устройство не обеспечивает высокую эффективность упрочнения, так как в нем поток шариков параллелен оси отверстия. Поэтому только часть шариков, которая движется в непосредственном контакте со стенками отверстия, а также те шарики, которые при столкновении между собой отскакивают к стенкам отверстия, будут упрочнять поверхность отверстия.

Какие технические решения по изменению описанного устройства можно предложить, позволяющие увеличить эффективность упрочнения отверстий деталей?

Техническое решение проблемы. Эффективность упрочнения повысится, если усилить эффект хаотичности (турбулентности) движения шариков. В этом случае возрастет число шариков, совершающих соударение между собой и отскакивающих к поверхности отверстия. Учитывая это, а также с целью направления потока шариков под углом к поверхности отверстия было предложено установить электромагнит переменного тока 11 у торца 4 корпуса устройства (рис. П.14). При этом колено 7, несущее сопло 5, выполнить из немагнитного материала.

Является очевидным, что реализация предложенного технического решения усложнит устройство для упрочнения отверстий, а также потребует принятия дополнительных мер техники безопасности по использованию устройства.

Предложить другое техническое решение, которое также усиливает эффект хаотичности (турбулентности) движения шариков, а следовательно, повышает эффективность упрочнения отверстий с помощью существующего устройства, но без заметного ухудшения других характеристик этого устройства.

Проблемная ситуация 9. При бетонировании дорог, фундаментов и других сооружений применяют различные виброгенераторы с целью уплотнения бетона. Один из них представляет собой электродвигатель 1, жестко закрепленный на плоской платформе 2 (рис. П.15). На валу 3 электродвигателя с определенным эксцентриситетом Е установлен груз 4. Виброгенератор работает следующим образом. После включения двигателя груз раскручивается до номинального числа оборотов. Так как груз установлен на валу с эксцентриситетом, то неуравновешенная масса груза вызывает колебания и система “двигатель – груз – платформа” после “раскрутки” груза начинает вибрировать.

Особенностью данной системы является то, что мощность электродвигателя, необходимая для "раскрутки" груза, на порядок больше мощности, необходимой для поддержания вращения груза. В свою очередь мощность двигателя определяет его стоимость, а значит стоимость всего виброгенератора.

Какое техническое решение можно предложить, позволяющее снизить стоимость виброгенератора без снижения эффективности его работы?

Техническое решение проблемы. Стоимость виброгенератора можно снизить, если уменьшить величину эксцентриситета установки груза на валу электродвигателя. Это позволит использовать в виброгенераторе электродвигатель меньшей мощности. Но в таком случае снизится амплитуда колебаний, создаваемых виброгенератором. Это, в свою очередь, приведет к уменьшению величины давления платформы на бетон и, следовательно, снижению эффективности работы виброгенератора.

Найти техническое решение, позволяющее реализовать предложенную идею уменьшения стоимости виброгенератора без снижения эффективности его работы.

Проблемная ситуация 10. Известно, что отверстия, галтели, пазы и т.п., являясь концентраторами напряжений, в значительной степени снижают усталостную прочность деталей. Влияние этих концентраторов напряжений на долговечность изделий стремятся уменьшить, упрочняя металл путем его холодного пластического деформирования различными способами и инструментами. В частности, для упрочнения отверстий был предложен инструмент, выполненный в виде полуцилиндрических вкладыша 1 и оправки 2 с буртиками 3 на концах (рис. П.16,а). Превышение диаметра инструмента по отношению к диаметру упрочняемого отверстия задается в соответствии с требуемой величиной пластической деформации.

Упрочнение стенок отверстия осуществляют следующим образом.

Вкладыш 1 и оправку 2 устанавливают совместно в исходное положение (плоские поверхности 4 вкладыша и оправки прилегают одна к другой) в обрабатываемое отверстие до упора буртика вкладыша 1 в торцевую поверхность отверстия. Затем деталь устанавливают на упор и прикладывают к торцу оправки 2 осевое усилие, которое вызывает перемещение оправки вдоль оси отверстия и тем самым деформацию металла стенок отверстия. По окончании процесса упрочнения извлекают оправку и вкладыш из отверстия.

Вместе с тем выяснилось, что применение этого инструмента требует дополнительных затрат времени на извлечение его из отверстия, вследствие заклинивания его в отверстии после окончания процесса деформирования. Для повышения производительности операции упрочнения отверстий было предложено выполнять вкладыш и оправку со скосами, образующими клиновую пару (рис. П.16,б). Такое решение, как показали опыты, весьма эффективно, когда угол наклона скосов превышает на небольшую величину их угол самоторможения.

Применение инструмента, угол наклона скосов которого удовлетворяет указанному условию, для упрочнения отверстий, диаметр d и длина l которых мало отличаются по своим значениям, не вызывает каких-либо проблем. Однако, если изготовить такой же инструмент для обработки глубоких отверстий ( ), у которого угол наклона скосов будет больше угла самоторможения, то из-за большой длины скосов вкладыш или оправка будут иметь малую толщину клина у буртика или концевой части. Это, в свою очередь, обусловит их поломку в процессе обработки отверстия.

Какое техническое решение можно предложить, позволяющее обеспечить высокую надежность упрочняющего инструмента в виде вкладыша и оправки для обработки глубоких отверстий?

Техническое решение проблемы. Надежность инструмента можно повысить, если использовать несколько пар вкладышей и оправок со скосами меньшей длины, чем глубина упрочняемого отверстия. Обработку же отверстия вести, последовательно упрочняя поверхность отверстия по высоте (рис. П.17). Однако, применение набора вкладышей и оправок при упрочнении поверхности глубоких отверстий значительно снижает производительность обработки.

Найти техническое решение, позволяющее обеспечить высокую надежность упрочняющего инструмента без снижения производительности обработки и сохраняя применяемый способ упрочнения с помощью оправки и вкладыша.

Проблемная ситуация 11. Известно, что надежность работы пар трения во многом определяется наличием масляной пленки между контактируемыми поверхностями. В свою очередь, присутствие масляной пленки определяется способностью микрорельефа поверхности удерживать смазку. Такой способностью обладают поверхности с регулярным микрорельефом, представляющим собой систему пересекающихся синусоидальных канавок. Формирование регулярного микрорельефа осуществляют виброобкатыванием, при котором деформирующему органу – шару, прижатому к обрабатываемой поверхности с силой P, помимо движения подачи S, сообщают возвратно-поступательное перемещение с частотой N и амплитудой e вдоль оси детали, вращающейся с частотой n (рис. П.18).

Устройства для виброобкатывания при всем своем разнообразии по конструкции имеют примерно одинаковую схему. Они имеют привод для создания возвратно-поступательного перемещения инструмента, как правило, от отдельного электродвигателя (рис. П.19). Вращательное движение вала электродвигателя 10 преобразуется в возвратно-поступательное движение штанги 5 с помощью эксцентрика 7, расположенного на валу электродвигателя. На одном конце штанги установлен инструмент 3 (выглаживатель или шар), другим концом штанга соединена со втулкой 6, перемещающейся вместе со штангой. На втулке 6 в корпусе 4 установлена силовая пружина 11 со шкалой 8. С помощью угольника 9 устройство устанавливают в резцедержателе суппорта токарного станка. Сила обкатывания задается путем предварительного сжатия силовой пружины и передается на среднюю часть штанги 5.

Данное устройство обладает рядом достоинств: большие возможности для образования различных видов микрорельефов, достаточно высокой производительностью и др. Вместе с тем, наличие в устройстве отдельного привода, механизма преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и большое число движущихся частей делает устройство весьма громоздким и, следовательно, мало надежным.

Какое техническое решение можно предложить, позволяющее обеспечить высокую надежность устройства для виброобкатывания деталей?

Техническое решение проблемы. Кардинально упрощает конструкцию устройства для образования регулярных рельефов и, следовательно, повышает его надежность применение в качестве деформирующего инструмента фасонного ролика. Этот ролик имеет рабочую поверхность в виде непрерывной зигзагообразной выпуклости 1 (рис. П.20), образованной скосами 2, расположенными в чередующемся порядке с обоих его торцов 3. При обкатывании детали 4 фасонным роликом на ее поверхности создается регулярный микрорельеф в виде пересекающихся синусоид 5, как и при виброобкатывании.

Использование такого ролика исключает необходимость в специальных устройствах для образования регулярного микрорельефа – виброголовок с источниками вибраций, т.к. виброобкатывание осуществляется за счет "вибрации" рабочего профиля инструмента. Однако виброобкатывание фасонным роликом имеет существенный недостаток – малые технологические возможности устройства. При работе фасонными роликами, имеющими даже относительно небольшой диаметр (20-40 мм), из-за большой площади его контакта с заготовкой требуется приложение значительных сил для выдавливания микрорельефа. Поэтому применение роликов ограничивается обработкой достаточно жестких деталей, изготовленных из цветных сплавов и термических неупрочненных сталей.

Найти техническое решение по улучшению предложенного устройства, которое бы обладало достоинствами использования фасонных роликов, при этом имело достаточно широкие технологические возможности.

Проблемная ситуация 13. В массовом и крупносерийном производстве для раскатывания отверстий большого диаметра (свыше 40 мм) часто используют жесткие многошариковые раскатники. Такие раскатники позволяют не только улучшить характеристики поверхностного слоя, но и повысить точность размера отверстия. Конструкция раскатника представляет собой оправку 1 (рис. П.21) с размещенными на ней опорными конусами 2, на которые опираются деформирующие шарики 3. Последние размещены в отверстиях сепаратора 4, выполненного в виде втулки. Для регулирования раскатника на размер обрабатываемого отверстия предназначена гайка 5, закрепляемая контргайкой 6. Раскатник посред ством резьбового отверстия 7 через переходник устанавливается в пиноли задней бабки токарного станка.

Легко заметить, что данный раскатник обладает ограниченными технологическими возможностями его применения. При заданных размерах конусных опор 2, шариков 3 и сепаратора 4 такой раскатник может быть использован только для обработки отверстий, диаметры которых имеют небольшие отклонения от некоторого среднего диаметра, например, 60 мм. Для обработки отверстий другого размера потребуется установка на оправку 1 элементов 2-4 с другими конструктивными размерами.

Какие технические решения по совершенствованию существующего раскатника можно предложить, которые расширяют его технологические возможности?

Техническое решение проблемы. Существующий раскатник может допускать его регулировку для обработки различных деталей с отверстиями, изменение диаметра которых находится в пределах величины диаметра используемых деформирующих шариков. Но это возможно только при отсутствии жесткого сепаратора, который препятствует свободному перемещению шариков в диаметральном направлении оправки. Учитывая это, предложен раскатник с сепаратором, выполненным в виде втулки, в которой цилиндрические концевые участки 1 соединены упругодеформируемыми перемычками 2, каждое из которых имеет отверстие 3 для деформирующего шарика (рис. П.22). Такой сепаратор за счет упругого деформирования перемычек позволяет шарикам перемещаться по конусным поверхностям опор при изменении расстояния между ними, тем самым настраивать раскатник на обрабатываемый размер отверстия.

Однако наряду с положительным эффектом (расширение технологических возможностей раскатника) техническое решение имеет существенный недостаток. При настройке раскатника на большие размеры обрабатываемого отверстия его шарики будут находиться в постоянном контакте с сепаратором под воздействием сил, вызванных упругой деформацией его перемычек. Это обусловит повышенный износ шариков и сепаратора и, следовательно, малую долговечность раскатника.

Найти техническое решение для предложенного раскатника, которое бы давало такой же положительный эффект, но без снижения его долговечности.

Проблемная ситуация 14. Для упрочняюще-отделочной обработки наружных, внутренних, плоских и профильных поверхностей нашел широкое применение центробежный метод поверхностного пластического деформирования. Центробежный метод упрочнения основан на использовании центробежной силы стальных шариков или роликов, свободно перемещающихся в гнездах специального устройства 1, вращающегося со скоростью 2-40 м/с над обрабатываемой поверхностью детали 2 (рис. П.23).

Встречая на своем пути деталь, движущуюся навстречу шарикам со скоростью 0,5-1,5 м/с, каждый шарик с силой ударяет по обрабатываемой поверхности, в результате чего происходит ее наклеп и сглаживание шероховатостей. К настоящему времени предложен целый ряд устройств для центробежной обработки. Одно из этих устройств приведено на рис. П.24. Оно состоит из корпуса 1, сменного сепаратора, выполненного в виде звездочек 2 и двух тарельчатых дисков 3. Наличие сменного сепаратора и двух тарельчатых дисков, служащих для удержания шариков 4 во время работы, позволяет использовать для одной и той же конструкции упрочнителя шарики различного диаметра. При изменении диаметра шариков величина зазора между тарельчатыми дисками регулируется с помощью прокладок 5. Закаленное кольцо 6 служит для восприятия обратного ударного импульса шариков при ударе об упрочняемую поверхность.

Упрочнитель данной конструкции относительно прост и универсален. Он может закрепляться либо на шпинделе шлифовального станка, либо получать вращение от автономного привода, например, электродвигателя (рис. П.23).

Описанная конструкция упрочнителя имеет существенный недостаток: центробежная сила шариков создается, путем вращения всего упрочнителя. Поэтому его конструктивные элементы испытывают напряжения растяжения от центробежных сил собственной массы упрочнителя, и при высокой скорости вращения упрочнителя эти напряжения могут превысить допустимые по условиям прочности материала конструкции. В связи с этим центробежную обработку ведут на ограниченных скоростях, что в конечном итоге снижает эффективность упрочнения (степень наклепа, величину уменьшения шероховатостей).

Какие технические решения по усовершенствованию существующего устройства центробежного метода обработки можно предложить, обеспечивающего высокую эффективность упрочнения деталей?

Техническое решение проблемы. Учитывая, что повысить скорость центробежной обработки можно за счет уменьшения массы вращающихся частей предложен упрочнитель, в котором движение шарикам задается вращением только одного сепаратора.

Устройство (рис. П.25) состоит из привода вращательного движения, в частности, электродвигателя 1, на валу которого закреплен сепаратор 2, выполненный в виде звездочки. Во впадинах сепаратора размещены шарики 3. Выпадению шариков препятствуют два конических тарельчатых диска 4 и 5, которые расположены эксцентрично относительно оси сепаратора.

Диск 5 служит корпусом, на котором смонтированы все узлы устройства и электродвигатель. Зазор между конусами дисков 4 и 5 для возможности выхода шарика 3 в момент контакта его с поверхностью обрабатываемой детали устанавливается при помощи прокладки 6.

Все устройство крепится на кронштейне в суппорт токарного станка и подводится к поверхности обрабатываемой детали на величину натяга, т.е. рабочую величину выхода шарика. При включении двигателя сепаратор 2 начинает вращаться и своими выступами передает вращение шарикам, которые будут двигаться с постоянной угловой скоростью по направляющим конусам дисков 4 и 5. Под действием центробежной силы шарики 3 расходятся, но так как ось вращения сепаратора 2 эксцентрична оси дисков 4 и 5 на величину не менее величины выхода шарика 3, то шарик может выйти из зазора между конусами дисков только в месте его контакта с поверхностью детали. При ударе шарика о поверхность происходит наклеп материала поверхности и сглаживание шероховатостей.

Поскольку в данном устройстве создание центробежной силы шариков осуществляется только вращением сепаратора, то это устройство позволяет осуществлять обработку на более высоких скоростях, чем его прототип. Вместе с тем, этому устройству присущ свой недостаток - малая долговечность. Это связано с тем, что при обработке на больших скоростях шарик после удара об обрабатываемую поверхность детали имеет большой обратный ударный импульс. Этот импульс передается через сепаратор на вал электродвигателя и выводит из строя его подшипники, а также вызывает усталостное выкрашивание материала впадин сепаратора.

Найти техническое решение, которое бы сохраняло положительный эффект предложенного устройства (высокую производительность) и обеспечивало высокую долговечность этого устройства.

Проблемная ситуация 15. В сварочном автомате электродом служит стальная проволока 1, разматывающаяся с барабана 2, установленного в стойке 4 с возможностью свободного вращения относительно оси 5 (рис. П.26). Проволоку тянет с некоторой силой Р специальный двигатель, расположенный в сварочной головке. Когда сварка прерывается, двигатель останавливается, протяжка проволоки прекращается, но барабан еще некоторое время вращается по инерции и запутывает, мнет проволоку. Поэтому перед возобновлением процесса сварки приходится производить правку проволоки, что приводит к снижению производительности сварочного автомата.

Какие технические решения по усовершенствованию существующего устройства для хранения сварочной проволоки можно предложить, которые бы обеспечивали высокую производительность сварочного автомата?

Техническое решение проблемы. Для предотвращения вращения барабана 2 по инерции в автомат был введен тормоз, представляющий собой колодку 3, прижатую с помощью пружины к барабану (рис. П.27).

Это позволило существенно повысить производительность сварочного автомата. Вместе с этим наличие тормоза приведенной конструкции потребовало постановку более мощного двигателя для протяжки проволоки, т.к. подача проволоки 1 производится при постоянном торможении барабана. В результате увеличились затраты на эксплуатацию сварочного автомата.

Предложить техническое решение, которое обеспечивает торможение барабана только в момент прерывания сварки и не вызывает существенных изменений в прототипе (автомате без тормоза).

Проблемная ситуация 16. При растачивании отверстий вывод расточного резца из отверстия сопровождается образованием “рисунка” на его обработанной поверхности. Это явление обусловлено действием сил резания, вызывающих упругий отжим инструмента от обрабатываемой поверхности в процессе снятия припуска на обработку. После завершения процесса резания резец восстанавливает свое первоначальное положение, заданное относительно припуска на обработку, углубляясь при этом в обработанную поверхность отверстия. При последующем выводе из обработанного отверстия резец оставляет на его поверхности след в виде винтовой канавки с шагом, равным подаче его перемещения.

Для предотвращения образования “рисунка” на обработанной поверхности приходится отводить резец от обработанной поверхности, затрачивая дополнительное время на выполнение операции растачивания отверстия, что вызывает снижение производительности обработки детали.

Какие технические решения можно предложить, не вызывающие снижение производительности обработки отверстий и обеспечивающие высокое качество его поверхности?

Техническое решение проблемы. Для безрисуночного вывода инструмента из обрабатываемого отверстия предложен расточной резец, состоящий из тела 1 и головки 2 (рис. П.28). В теле 1 резца образована прорезь 3, разделяющая резец на две части, жесткую 4 и упруго деформируемую 5, причем головка 2 расположена в последней. Прорезь 3 выполнена с участком 6, параллельным главной режущей кромке 7 резца. Ширина прорези на участке 6 равна k₁, а на остальной части k₂, причем k₂ > k₁. Величина k₁ выбирается из условия замыкания участка 6 прорези 3 в процессе резания. Прорезь 3 заканчивается отверстием диаметром d.

Расточной резец устанавливается в расточной головке 8 под углом 45^°к ее оси и жестко крепится двумя болтами (рис. П.29). В начальный момент обработки под действием осевой составляющей силы резания P_x за счет упругой деформации части 5, в которой расположена головка 2, вершина 9 резца перемещается от оси расточной головки 8 по дуге радиусом, приблизительно равным расстоянию от вершины резца до оси отверстия диаметром d, пока участок 6 прорези не замкнется, образуя замкнутую силовую цепь.

После окончания обработки упруго деформируемая часть 5 возвращается в исходное состояние, перемещая вершину резца к оси расточной головки 8, тем самым обеспечивает самоотвод головки резца от обработанной поверхности и безрисуночный вывод инструмента из отверстия.

Действительно, применение данного расточного резца позволяет, не снижая производительность обработки, осуществить безрисуночный вывод инструмента из отверстия. Однако наличие у резца упругого звена накладывает жесткие ограничения на его применение в зависимости от параметров режима обработки, в частности глубины резания и подачи. Является очевидным, ширина прорези k₁ на участке 6 и действующая осевая сила резания P_x должны быть такими, чтобы выполнялось условие замыкания участка 6 прорези 3 в процессе резания. В противном случае, вследствие отсутствия замкнутой силовой цепи между упругим 5 и жестким 4 элементами резца, в процессе растачивания отверстия будет возникать вибрация упругого элемента 5, что обусловит ухудшение качества обрабатываемой поверхности.

Ввести такие изменения в конструкцию предложенного расточного резца, которые обеспечат его применение в широком диапазоне изменения параметров режима обработки.

[1] Авторское свидетельство СССР №360119, М. Кл. В 21 В 27/02.Предварительно напряженный прокатный валок. Целиков А.И., Морозов Б.А., Краузе Г.Н. и др. №1479304/22-2. Заявл. 29.09.70. Опубл. 28.09.72. Бюл. №36.