Особенности технологии нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ

При современных темпах развития и совершенствования техники все большую роль играет гибкость производства и возможность оперативного воплощения в металле конкретного конструкторского решения. Подобные задачи могут быть решены только при использовании оборудования с ЧГТУ, которое, в сравнении с универсальными станками или станками-автоматами, позволяет одновременно обеспечить высокие показатели как по гибкости производства и оперативности внедрения, так и по производительности.

Нарезание витков червяков резцом на токарных станках является наиболее распространенным методом формообразования в силу простоты реализации при минимуме специальной технологической оснастки. Перевод обработки на станки с ЧПУ позволит существенно расширить технологические возможности метода, повысить его производительность, реализовать безлюдное производство, при этом метод должен быть пересмотрен с учетом особенностей обработки витков червяков, а также учтена специфика обработки винтовых поверхностей на оборудовании с ЧПУ и конструкции станков. Необходим в этом случае и инструмент для оперативного составления управляющих программ (УП), позволяющий сократить время технологической подготовки производства и обеспечить высокий уровень гибкости производства.

На сегодня готовых решений в этой области не существует, специфика обработки витков червяков на токарных станках в специальной литературе представлена весьма скудно или не представлена вовсе, имеющиеся С4М-системы имеют ограниченные возможности по составлению УП для обработки винтовых поверхностей, а разделы, посвященные червякам, отсутствуют. Поэтому совершенствование процесса многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ, в том числе путем учета особенностей обработки винтовых поверхностей на данном типе оборудования в условиях гибкого и безлюдного производства с разработкой специализированной С4М-системы для составления УП является актуальной научной задачей.

Объектом исследования является технологический процесс многопроходного нарезания витков червяков на станках с ЧПУ.

Предметом исследования является установление и исследование зависимостей производительности и точности обработки от управляемых конструкторских и технологических факторов.

Цель настоящей работы: состоит в повышения эффективности технологии многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

Разработка методов и экспериментальной оснастки для исследования технологии многопроходного нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ в производственных условиях.

Выявление доминирующих факторов, влияющих на производительность процесса многопроходного нарезания витков червяков.

Теоретическое обоснование способов повышения производительности процесса многопроходного нарезания витков червяков.

Анализ факторов, влияющих на качество поверхностного слоя витков червяков при многопроходном нарезании резцами.

Выявление особенностей многопроходного нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ и исследование влияния кинематики станка на точность шага и профиля путем теоретико-экспериментальных исследований процессов их формирования.

Разработка конструкторско-технологического обеспечения для реализации эффективной технологии многопроходного нарезания витков червяков на станках с ЧПУ.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания, теории машин и механизмов, технологии машиностроения. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях ТулГУ, а также на ЗАО «Тулаэлектропривод» (Тульская обл. п. Плеханово), с использованием промышленного оборудования и средств технологического, и метрологического обеспечения на червяках, изготавливаемых серийно.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, использованием аттестованного измерительного оборудования с соблюдением процедуры проведения эксперимента, и подтверждается согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Автор защищает:

Способ определения окружной силы резания с помощью встроенного в станок индикатора нагрузки двигателя — лодметра и зависимости для её определения с учетом технологических режимов обработки.

Обоснование закона изменения подачи врезания, обеспечивающего максимальную производительность процесса.

Упрощенную методику расчета подачи врезания, которая являет собой рациональный баланс между простотой математического аппарата и оптимизацией процесса многопроходного нарезания витков червяков.

Комплекс конструкторско-технологических решений обеспечивающих необходимое качество и точность витков червяков, учитывающих особенности обработки винтовых поверхностей в целом, и витков червяков в частности, на оборудовании с ЧПУ.

Внедренные результаты экспериментальных и опытно-промышленных исследований, подтверждающие обоснованность теоретических выкладок.

Научная новизна выполненной работы: раскрыты несоответствия в общепринятой методике программирования с помощью стандартного цикла многопроходного нарезания резьбы и возможности реализации рациональной схемы резания при многопроходном нарезании витков червяковобоснован закон изменения подачи врезания от прохода к проходу, позволяющий почти в 2 раза сократить количество рабочих проходов резца и обеспечить максимальную производительность процессаизучены связи кинематических погрешностей шага винтовой линии, реализуемой станком, с динамикой переходных процессов разгона и торможения суппорта станка, эти связи учтены при разработке специализированной СЛМ-системыразработана специализированная С4М-система для автоматизации составления управляющих программ для многопроходного нарезания витков червяков, обеспечивающая реализацию обоснованной схемы резания. Практическая значимость и реализация результатов работы: Способ измерения сил резания с помощью встроенного в станок с ЧПУ индикатора нагрузки двигателя — лодметра, позволяет при минимальном количестве специального оборудования с достаточной для практического применения точностью определять окружную силу резания.

Комплекс рекомендаций по назначению режимов обработки учитывает особенности применения станков с ЧПУ и обеспечивает не только необходимые параметры точности и качества витков червяков, но и повышение производительности процесса.

Технологическая оснастка расширяет возможности оборудования и учитывает особенности его конструкции и применения.

Результаты работы внедрены на предприятии ЗАО «Тулаэлектропривод», о чем свидетельствует акт внедрения. Теоретические положения диссертации были реализованы в НИОКР выполняемой в рамках Контрактов 8768р/13 991 от 2.12.2010 г. и № 10 021 р/16 818 от 09.12.2011 г. с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 552 900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих совещаниях, семинарах и научно-технических конференциях: на IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула, 2010 г.- на IV и V молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации», Тула, 2009; 2011 г. г.- МНТК «АПИР-14» и «АПИР-15» Тула, 2009; 2010 г. г.- V магистерской научно-технической конференции, Тула, 2010 г.- III Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», Москва, 2010 г.- Всероссийской научно-практической конференции для студентов, аспирантов, молодых ученых «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты», Тула, 2010 г.: V научно-технической интернет-конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (МКТМ-2010), Тюмень, 2010 г.- Международной интернет-конференции по металлургии и металлообработке, Тула, 2011 г.- а также на ежегодных НТК преподавателей ТулГУ 2009;2011 г. г.

По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе 5 в изданиях, включенных в перечень ВАК, из них без соавторов — 17- патентов-1.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, заключения, списка использованных источников из 73 наименований, 2 приложений, общим объемом 214 с., включая 79 иллюстраций, 28 табл. у.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В работе решена задача повышения эффективности технологии многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ на базе теоретического обоснования и экспериментального подтверждения возможности повышения производительности и точности обработки при обеспечении рациональной схемы резания, и учете особенностей обработки винтовых поверхностей на выбранном типе оборудования в условиях гибкого и безлюдного производства с разработкой специализированной С4М-системы для составления управляющих программ.

По результатам выполнения работы сделаны следующие основные выводы:

1. Доказана возможность измерения окружной силы резания с помощью встроенного в станок с ЧПУ индикатора нагрузки двигателялодметра, при минимальном количестве специального оборудования. Показано, что достигаемая точность измерений приемлема для практического применения. Подтверждена адекватность измерений полученных таким способом.

2. Результаты сравнительного анализа данных экспериментальных исследований существующих законов изменения подачи от прохода к проходу, реализующих различные схемы резания, в том числе закона, реализуемого стандартным циклом станка, показали, что оптимальной для автоматизации является равносиловая схема резания. Для расчета подачи врезания по этой схеме разработана упрощенная методика.

3. Обоснован способ установки резца, обеспечивающий равномерную нагрузку на боковых режущих кромках, для реализации которого была разработана и запатентована конструкция резца с поворотной державкой.

4. Показано, что для сохранения размерной стойкости инструмента, точности профиля и микрорельефа боковой поверхности впадины целесообразно применять последовательную многоинструментальную обработку для формообразования витков червяков. Для её реализации разработан способ взаимной привязки профильного инструмента по оси Ъ станка с ЧПУ.

5. Установлено, что, при разных частотах вращения шпинделя появляется систематическая погрешность, проявляющаяся в виде смещения в осевом направлении нарезаемой винтовой линии, что при последовательной обработке двумя резцами будет проявляться в несовпадении винтовых, образуемых черновым и чистовым резцом. Показана необходимость определения величины линейной компенсации разности участков разгона и торможения суппорта станка при различных частотах вращения шпинделя и ее учета при составлении УП для обеспечения «попадания» в виток резцов требующих разной скорости резания.

6. По результатам проведённых экспериментов существенной разницы в стойкости инструмента с применением СОЖ и без таковой выявлено не было, однако показано, что применение СОЖ снижает величину заусенца, выдавливаемого по правой стороне впадины, и положительно сказывается на микрорельефе обработанной поверхности.

7. Результаты проведенной работы реализованы в виде специализированной С4М-системы, что позволило на предприятии ЗАО «Тулаэлектропривод» сократить время составления УП в среднем в 7 раз. Результаты диссертационной работы в виде комплекса программ использованы в учебном процессе кафедры технологии машиностроения ТулГУ.