Холодное накатывание зубчатых и шлицевых профилей внутреннего зацепления на спеченных порошковых биметаллических заготовках

Для решения важнейших задач экономического развития страны, необходимо совершенствование трудоемких производственных процессов, у которых низкая производительность труда, высокая себестоимость изделия, велики затраты материалов. К таким процессам относятся технологии формирования внутренних зубчатых и других периодических профилей.

Процессы формирования внутренних периодических профилей резанием являются трудоемкими и малопроизводительными. Трудоемкость их изготовления составляет 70.80% общей трудоемкости обработки детали. Низкая производительность оборудования требует значительного парка станков и больших производственных площадей.

В современном энергетическом, сельскохозяйственном, текстильном, пищевом и других отраслях машиностроения широко используются детали, в том числе и с зубчатым профилем, из композиционных пористых материалов. Пористые композиты состоят из двух и более компонентов (биметаллы, многослойные и т. п.). Применение композиционных порошковых материалов позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики изделий: прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, термостойкость и другие вследствие использования преимуществ, как порошковых материалов, так и композитов.

В биметаллическом материале сочетаются свойства, которые нельзя получить в одном отдельно взятом компоненте. Например, сравнительно низкая прочность (или стоимость) материала основы с высокой прочностью и износостойкостью плакирующего слоя. Толщина плакирующего слоя составляет от 5 до 50% общей толщины биметалла.

Нередко применение пористых композитов дает экономический эффект не за счет экономии дорогостоящего материала, а в результате упрощения конструкции, облегчения монтажа и улучшения условий эксплуатации изделий. Существенное отличие физико-механических, технологических и других свойств пористых биметаллов создает определенные трудности при проектировании и реализации технологий изготовления деталей с внутренним периодическим профилем (зубчатым, шлицевым и др.).

Технологии изготовления периодических профилей методами порошковой металлургии в значительной степени трудоемки, что связано с формированием сложного контура, получением необходимой точности и качества поверхности профиля, а также с извлечением готового изделия из матрицы.

Одним из радикальных путей интенсификации процессов зубообработки заготовок из пористых материалов является применение методов объемной штамповки. Объемная штамповка периодических профилей значительно повышает эффективность изготовления за счет увеличения производительности процесса и экономии металла. Обработка зубчатых колес, изготовленных методами порошковой металлургии с использованием больших сдвиговых деформаций, способствует повышению их качества [1].

Наиболее разработана научная база процессов объемного формообразования наружных периодических профилей на заготовках из компактных материалов.

При изготовлении зубьев и шлицев внутреннего зацепления на пористых заготовках возникают дополнительные трудности из—за недостаточной изученности процесса.

Актуальность работы. Анализ возможных альтернатив создания изделий сельскохозяйственного, текстильного, пищевого и других отраслей машиностроения показывает, что для решения этих задач наиболее перспективны технологии изготовления деталей внутреннего зацепления из пористых биметаллических материалов, основанные на объемном формообразовании. Однако теоретических и систематических экспериментальных исследований данных технологий не проведено. На пути их практического освоения сделаны лишь первые шаги. Имеющиеся рекомендации не являются достаточными для разработки расчетных моделей процессов, проектирования промышленных технологий и соответствующего оборудования.

Этим обусловлена актуальность работы, посвященной разработке 9 технологии изготовления зубчатых и шлицевых профилей внутреннего зацепления накатыванием на спеченных пористых биметаллических заготовках.

Цель работы — разработка научно обоснованных методик расчета параметров и основ проектирования процессов объемного формообразования накатыванием пористых биметаллических периодических профилей внутреннего зацепления, разработка и внедрение на этой основе технологий получения данных профилей, обеспечивающих уменьшение трудоемкости, материалоемкости и улучшение качества изделий машиностроения.

Поиск новых технических решений по совершенствованию способов получения биметаллических пористых внутренних периодических профилей • и расширению номенклатуры изделий, получаемых методами холодной объемной штамповки (ХОШ) затруднен из-за отсутствия классификации, объединяющей основную группу процессов формообразования пористых деталей с периодическими профилями.

Большое значение, для решения задач, связанных с разработкой технологий объемного формообразования зубчатых колес и деталей со шлицами из компактных и пористых материалов, имеют результаты проведенных исследований, выполненные отечественными и зарубежными учеными: Целиковым А. И., Богоявленским К. Н., Аксеновым Л. Б., Востровым В. Н., Новиковым А. В., Васильчиковым М. В., Фельдманом Г., Шмитом Р., Хаммершмидтом Е., Пасеком В. и" другими.

Благодаря их работам, выявлены основные условия формообразования периодических профилей в зависимости от характера напряженно и деформированного состояний, качества материала, состояния поверхности и других факторов.

Предложено несколько гипотез, объясняющих механизм течения металла. На основе феноменологического подхода теории пластических деформаций металлов и экспериментальных исследований для ряда способов объемного формообразования зубчатых колес получены зависимости, которые позволяют определить силовые параметры процессов и прочностные характеристик изготавливаемых деталей. Однако, результаты проведенных исследований не могут быть использованы при проектировании технологий и прогнозировании качества деталей внутреннего зацепления из пористых композиционных материалов.

Процессы получения методами холодной объемной штамповки деталей с периодическими профилями следует рассматривать как технологическую систему, совершенствование которой происходит во взаимосвязи с основными направлениями работ по экономии ресурсов в машиностроении. Научно обоснованные методики расчета процессов холодного накатывания внутренних периодических профилей из пористых биметаллических материалов необходимо разрабатывать на основе достижений и дальнейшего развития теории и технологии малоотходных процессов ХОШ деталей и точных заготовок.

Большой вклад в создание научных и практических основ холодной объемной штамповки внесли работы Головина В. А., Дмитриева A.M., Дорофеева Ю. Г., Дорошкевичем Е. А., Евстратовым В. А., Евстифеевым В. В., Ивановым К. М., Лясникова А. В., Мертенса К. К., Мишунина В. А., Навроцкого Г. А., Овчинникова А. Г., Оленина Д. Д., Павлова Н. Н., Ренне И. П., Риса В. В., Рудского А. И., Степанского Л. Г., Фаворского В. Е., Lange К., Veldman G., Volkner W., Pasek V., Schmit R. и многих других отечественных и зарубежных ученых. Однако возникают новые задачи, связанные, в частности, с расширением номенклатуры материалов, деформируемых малоотходными методами ХОШ.

В диссертации на основании выполненных автором исследований и разработок содержатся технологические разработки, имеющие существенное значение для экономики, заключающиеся в разработке технологий изготовления пористых биметаллических периодических профилей внутреннего зацепления холодной объемной штамповкой, благодаря чему обеспечивается экономия ресурсов за счет повышения производительности труда, уменьшения капитальных вложений, улучшения эксплуатационных характеристик изделий.

Методы исследования. Теоретический анализ процессов выполнен методами теории упругости и пластичности. Статистические модели получены методами планирования эксперимента и регрессионного анализа. При реализации экспериментов использованы методы тензометрии и микроанализа. Варианты изготовления пористых зубчатых колес исследованы методами системного анализа.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением математической статистики при обработке экспериментальных данных и оценкой адекватности разработанных теоретических моделей реальным процессам.

Научная новизна работы заключается в разработке нового способа и научно обоснованных методик проектирования технологий накатывания порошковых биметаллических зубчатых и шлицевых профилей внутреннего зацепления, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований, включающих:

• классификацию способов объемного формообразования порошковых зубчатых и шлицевых профилей и методику оценки рациональности их применения методами системного анализа, на основе которых предложены новые перспективные технологии изготовления порошковых биметаллических зубчатых и шлицевых профилей внутреннего зацепления, обеспечивающие увеличение производительности труда, снижение себестоимости и повышение качества изделия.

• научно обоснованную методику проектирования технологических параметров процесса холодного накатывания внутренних периодических профилей с модулем зацепления от 0,5 до 2,0 мм на спеченных пористых биметаллических заготовках, позволившую с использованием математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов, оборудования и инструмента, определить возможность изготовления и косвенное прогнозирование эксплуатационных характеристик деталей;

• разработанные и реализованные в промышленном производстве технологии изготовления типовых деталей внутреннего зацепления, проектируемые с применением научно обоснованных в диссертации методик расчета и рекомендаций;

• методики и стенды для экспериментального исследования технологических параметров процесса, позволившие установить закономерности процессов формообразования накатыванием внутренних периодических профилей, сформулировать граничные условия для анализа напряженного состояния в очаге деформации, проверить адекватность теоретических моделей и построить статистические модели параметров процесса;

• классификацию, объединяющую показатели качества и дефекты пористых биметаллических зубчатых венцов формообразованных холодным накатыванием, с помощью которой установлены причины и разработаны способы устранения дефектов.

Практическая ценность и реализация работы. На основе предложенных в диссертации способа, методик расчета и установленных закономерностей процессов формоообразования пористых биметаллических периодических профилей внутреннего зацепления, результатов исследования параметров разработаны при личном участии автора новые технологии получения периодических профилей внутреннего зацепления методами ХОШ на ряде предприятий сельскохозяйственной и пищевой промышленностей. Внедрение технологий обеспечивает увеличение производительности труда в.

1,7.2,5 раза, повышение прочности зубчатых венцов в 1,5.2,0 разаснижение уровня шумов на 20.30%.

Новая технология имеет широкое прикладное значение и может применяться при производстве машин для обработки пищевых продуктов, ^ льноуборочных, хлопкоуборочных, текстильных и бытовых машин, насосов, электромоторов, часовых механизмов, деталей космических аппаратов и других.

Публикации и апробация работы. Материалы работы опубликованы в 7 печатных трудах. Результаты работы доложены и обсуждены на международных и республиканских научно-технических конференциях в Санкт-Петербурге — 2002 г, 2003 г., 2004 г. Работа обсуждена и одобрена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в 2005 году.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 • разделов, основных выводов, списка литературы из 78 * наименований. Содержит 99 страниц машинописного текста, 77 рисунков и 17 таблиц.

6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработаны классификация способов объемного формообразования порошковых зубчатых и шлицевых профилей и методика оценки рациональности их применения методами системного анализа, на основе которых предложены новые перспективные технологий изготовления порошковых биметаллических зубчатых колес и деталей со шлицами внутреннего зацепления, обеспечивающие увеличение производительности труда, снижение себестоимости и повышение качества изделия.

2. Разработана научно обоснованная методика проектирования технологических параметров процесса холодного накатывания внутренних зубчатых и шлицевых профилей на спеченных пористых биметаллических заготовках, с использованием которой разработаны технологии изготовления зубчатых колес и деталей со шлицами с модулем зацепления от 0,5 до 2,0 мм, применяемые в изделиях сельскохозяйственной и пищевой зубчатых и шлицевых профилей промышленностей, где недопустимо использование смазочных материалов.

3. Разработанная технология изготовления пористых биметаллических деталей с зубьями и шлицами внутреннего зацепления обеспечила повышение прочности и стойкости зубчатых венцов в 1,5.2,0 раза, уменьшение массы зубчатых колес в 1,3. 1,7, снижение уровня шумов на 20.30%.

4. На основе методов планирования эксперимента построены регрессионные модели основных технологических параметров процесса накатывания зубьев на спеченных пористых биметаллических заготовках.

Разработаны методики и стенды, для экспериментального исследования технологических параметров процессов, с целью установления основных закономерностей формообразования внутренних периодических профилей на пористых биметаллических заготовках, проверки адекватности теоретической модели, построения статистических моделей.

Разработана классификация, объединяющая показатели качества и дефекты пористых биметаллических зубчатых венцов формообразованных холодным накатыванием, с помощью которой установлены причины возникновения и предложены способы устранения дефектов.