Технологическое обеспечение точности токарной обработки тонкостенных сварных корпусов на основе учета упругих деформаций

В современном машиностроении, начавшийся подъем промышленного производства, требует возрастающего выпуска прецизионных машин и механизмов. Производство таких изделий неразрывно связано с ростом объема изготовления деталей высокой точности, которые широко используются в станкостроительной, ракетостроительной и др. отраслях промышленности. При этом основные технологические затруднения возникают при обработке деталей нежесткой конструкции, в том числе и тонкостенные. Особенно это проявляется при обработке сборок, в которых к тонкостенному корпусу приварены дополнительные элементы, служащие для базирования в изделии.

В большинстве случаев, такие сборки подвергаются термообработке и обладают повышенной поверхностной твердостью, что затрудняет их обрабатываемость. При обработке нежестких сборок применение финишных операций с использованием абразивных инструментов может вызвать температурную деформацию и увеличить погрешность обработки. Лезвийная обработка твердым сплавом позволяет избежать указанных явлений и дает возможность снизить температуру в зоне резания.

Фундаментальные основы точности обработки с учетом технологической наследственности базируются на работах Соколовского А. П., Дальского A.M., Васильева А. С. 1−5]. Отдельные вопросы точности при обработке тонкостенных деталей рассматривалось в работах: Ямникова A.C., Киселева В. Н., Кузнецова В. П. и Красильиикова В. М. [6−10]. В некоторых случаях тонкостенные сборки имеют конструктивные особенности, снижающие технологичность, например наличие концентрично расположенного кольца, которое посредством перемычек жестко связано с основной корпусной частью сборки. Это оказывает дополнительное влияние на величину погрешностей формы при обработке внутренних полостей таких сборок. Для соединения секций таких сборок в изделие широко применяют 5 резьбовые замковые соединения. Профиль усиленной упорной резьбы, наиболее применяемый для рассматриваемого класса изделий, имеет малый радиус закругления во впадинах резьбы до 0,05 мм для резьб с шагами от 1,5 до 3 мм. Это обстоятельство затрудняет стабильное получение требуемых параметров резьбы и снижает стойкость режущего инструмента. Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность обработки и снижающих трудоемкость изготовления, тонкостенных деталей, имеющие конструктивные особенности, является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в снижении брака по параметрам точности поперечного сечения тонкостенных корпусных деталей при их закреплении в 3-х кулачковых патронах.

Для достижения поставленной цели в диссертации были определены следующие задачи:

1. Выявить причины брака, возникающего при токарной обработке тонкостенных сварных корпусов.

2. Провести компьютерное моделирование погрешностей обработки в продольных и поперечных сечениях.

3. Обосновать конструктивные параметры технологической оснастки, приводящие к уменьшению погрешностей обработки в продольном и поперечном сечениях сварных корпусов.

4. Оптимизировать схему нарезания резьбы полнопрофильными СМП с учетом низкой жесткости и высокой твердости сварных корпусов.

5. Внедрить результаты исследований в производство.

Объект исследования. Процессы механической обработки тонкостенных сварных корпусов.

Предмет исследования. Операции точения и резьбонарезания поверхностей тонкостенных деталей и сварных корпусов.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории технологии машиностроения, технологической наследственности, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование проводилось в программных продуктах SolidWorks и Ansys. Экспериментальные исследования произведены в производственных условиях на ОАО «Тульский оружейный завод». Приведенные измерения проводились с применением аттестованных средств измерений.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, в обработке и интерпретации результатов, формулировке выводов. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, касающиеся процессов токарной обработки тонкостенных корпусных деталей.

В первой главе анализируется состояние вопроса в производстве типовых сварных корпусов и технических требований, предъявляемых к их качеству. Отмечается, что повышение точности и производительности токарной обработки является весьма важной производственной задачей, причем ее решение особенно актуально для нарезания внутренней и наружной резьбы и чистовой обработки. Вопросами повышения точности токарной обработки посвящены ряд работ: Ямникова A.C., Кузнецова В. П., Киселева В. Н. и др. Влияние технологической наследственности 7 рассматривалось в работах: Соколовского А. П., Васильева A.C., Дальского A.M. Предшествующие работы не использовали в исследованиях деформирования деталей программы трёхмерного моделирования. Поэтому актуально в настоящее время применять SolidWorks и Ansys для компьютерного моделирования в решении подобных задач. В диссертации приводится анализ технологии изготовления сварного корпуса.

Во второй главе описываются результаты компьютерного моделирования процессов деформирования при зажатии тонкостенной детали в патроне.

В третьей главе рассмотрена существующая технология обработки детали. Проанализированы результаты проведения экспериментов в сравнении с их компьютерным моделированием.

Четвертая глава посвящена специфическим аспектам внедрения процесса нарезания резьбы на станках с ЧПУ одновременно с другими токарными переходами. В частности рассмотрены вопросы унификации инструментов, устанавливаемых в револьверную головку станка, обеспечение совпадения профилей калибрующего и чернового резца при последовательном нарезании резьбы двумя резьбовыми твердосплавными пластинами, максимальному использованию режущих свойств инструмента, проектирование технологической оснастки для минимизации погрешности формы поперечного сечения.

Показано, что не меньшее влияние на точность, оказывают внутренние напряжения в детали после сварных операций. Несмотря на то, что термическая обработка и правильное ведения сварочного процесса ослабляют их влияние для минимизации данного явления, необходимо разделять черновое и чистовое растачивание и выполнять их как самостоятельные операции. Однако, обработка в такой стадийности не позволила радикально уменьшить деформацию поперечного профиля с отклонением от круглости ОД мм, что превышает допустимые пределы. 8.

Автор защищает: результаты компьютерного моделирования погрешностей закрепления с учетом влияния концентричного кольца, приваренного к тонкостенной корпусной детали, и ее ориентации при закреплении в патроне станкарезультаты экспериментальных исследований погрешностей закрепления, подтверждающие их адекватность компьютерному моделированиюконструкции зажимной оснастки и специальных режущих инструментов, обеспечивающие погрешности формы обрабатывающих деталей в осевом и поперечном сечениях в пределах допуска;

— новый способ и схему нарезания упорной резьбы на тонкостенных заготовках из высокопрочных сталей;

— технологию изготовления тонкостенных корпусных деталей на станках с ЧПУ, позволяющий снизить брак до 5%.

Научная новизна работы заключается в обосновании конструкций зажимных кулачков трехкулачковых патронов и способов установки в них сборок тонкостенных деталей, уменьшающих погрешности токарной обработки в продольном и поперечном сечениях на основе:

— разработки конструкции широких кулачков с двойной расточкой по предельным диаметрам центрирующей базовой поверхности сварного корпуса;

— использования явления интерференции сформированных в разных угловых фазах профилей поперечного сечения детали путем изменения ее угловой ориентации в патроне станка на операциях черновой и чистовой обработки;

— повышения жесткости технологической системы введением дополнительного элемента в полость детали (корпуса), ограничивающего ее (его) упругое деформирование при закреплении. 9.

Практическая ценность работы:

— даны рекомендации по повышению точности процесса токарной обработки тонкостенных деталей и сварных корпусов на основе предложенных технологических решений;

— предложены способ и схема нарезания упорной резьбы, позволяющие снизить расход инструментального материала более чем в 2 раза и повысить стойкость инструментальной наладки;

— разработан комплект технологической оснастки и инструментов для операции чистовой обработки наружных и внутренней поверхностей тонкостенных деталей и сварных корпусов, позволяющий снизить процент брака в 4 раза.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ТОЗ». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения» раздел «Погрешность закрепления», при подготовке магистров по дисциплинам «Прогрессивные технологии резьбообработки» и -«Научные основы технология машиностроения». Также они используются при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ бакалавров и специалистов, магистерских диссертаций по направлению 151 900 — «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ВНПК «Актуальные проблемы техники и технологии машиностроительного производства», Орел, 2012 г.- на VI МНТК «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», Пенза, 2010 г., на МНТК «Технические науки: традиции и инновации», Челябинск 2012гна ХХХХ1 Всероссийском Симпозиуме «Механика и процессы управления», Миасс 2011 г, на IV МНТК «Молодежь и, ХХ1 век», Курск 2012гна МНТК «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и.

10 металлургии", Липецк 2012 г, на ВНТК «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула 2012 г, а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009;2012г.г.

За комплекс работ по созданию технологических решений по повышению эффективности обработки тонкостенных деталей автор в 2012 г. был удостоен звания лауреата регионального конкурса «Инженер года 2012».

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 4 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, 7 статей в межвузовских сборниках научных трудов, 1 патент, 3 заявки на патент.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 71 наименований, включает 115 страниц машинописного текста 89 ил., 2 табл. Общий объем 180 с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертации решена важная для современного машиностроения научная задача: технологическое обеспечение точности токарной обработки тонкостенных сварных корпусов на основе учета упругих деформаций, обосновании рациональной конструкции зажимных приспособлений, использования явления интерференции остаточных погрешностей и оптимизации схемы нарезания резьбы. По результатам выполнения работы можно сделать следующие выводы:

1. В результате проведенного анализа установлено, что при изготовлении тонкостенных сварных корпусов по старой технологии в действующем производстве 50% корпусов не соответствуют требованиям по точности внутренних отверстий и резьбы, 20% из которых являются сборки неисправимого брака.

2. Компьютерное моделирование в среде 8оПс1\/огк8 позволило теоретически обосновать принцип уменьшения систематических погрешностей профиля поперечного сечения тонкостенных сварных корпусов, возникающих при их закреплении в трехкулачковых патронах с широкими кулачками.

3. Анализ результатов компьютерного моделирования, показал, что наибольшая погрешность формы в поперечном сечении (овальность, седлообразность и бочкообразность) наблюдается у торцов корпусов, как с перемычками, так и без, а по мере удаления от них, на длину примерно 30 мм, эти погрешности становятся меньше.

4 .Обоснована конструкция зажимной поверхности кулачка с двойной расточкой — по максимальному и минимальному диаметру базовой поверхности корпуса, минимизирующая упругие деформации корпуса при закреплении.

5. Установлено, что минимальные значения диаметра внутренней поверхности приходятся на сечения, в которых соединяются перемычки с корпусом, а максимальные значения — в средней части и у торцов корпуса.

6. Показано, что при равномерном распределении нагрузки на весь базовый диаметр сварного корпуса, упругое восстановление после его раскрепления из патрона станка на 960 секунде будет составлять 0,0018 мм на внутренний радиус.

7. Экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность результатов компьютерного моделирования. Это позволяет прогнозировать ожидаемую погрешность обработки, на стадии проектирования технологической операции.

8. Разделение черновой и чистовой операции на самостоятельные с переустановкой корпуса в патроне станка с поворотом на 120° уменьшает процент брака по огранке растачиваемой поверхности в 2,25 раз.

9. Новый способ нарезания внутренней резьбы и конструкция резьбообразующего инструмента позволяют повысить ресурс одной вершины резьбовой СМП в 2 раза.

10. Разработанные технологические рекомендации использованы в технологии обработки тонкостенного сварного корпуса на станке с ЧПУ и приняты к внедрению в условиях ОАО «Тульский оружейный завод», что позволило сократить неисправимый брак в 4 раза (до 5%).