Повышение точности формообразования многозаходных винтовых выступов на прессовой оправке

Машиностроение является одной из основных отраслей промышленности. Ведущим фактором роста выпуска новой конкурентоспособной продукции в условиях современной инновационной экономики должен стать рост отраслей машиностроения, которые обеспечивают материальную основу для успешной работы всех отраслей промышленности.

В соответствии с нынешним этапом развития рыночной экономики, необходимо обращать особое внимание на объективную необходимость в глубоких и качественных изменениях в производственных силах, всемерного роста производительности труда при сопутствующем снижении материалоемкости выпускаемой продукции. Эти факторы были и остаются главными среди факторов увеличения выпуска продукции, роста валового внутреннего продукта и национального дохода страны.

В наши дни увеличение производительности труда органически связано с внедрением в производство передовых достижений науки и техники. Очень важно, не теряя времени, проводить перевооружение производства на основе новой техники и технологии, осуществлять его автоматизацию, широко применять компьютеры и системы автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП), станки с числовым программным управлением (ЧПУ) и обрабатывающие центры (ОЦ).

В настоящее время в условиях жесткой конкуренции и рыночной экономики одними из важнейших вопросов, решаемых при построении любого производственного процесса, является обеспечение выпуска недорогой и качественной продукции. Выпуск такой продукции, в свою очередь, зависит от того, как построен производственный процесс.

Цель работы заключается в обосновании метрологии и технологии формообразования винтовых выступов на прессовой оправке.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Обоснование рационального способа формообразования винтовых выступов на длинной прессовой оправке.

2. Разработка методики профилирования инструмента, нарезающего винтовые выступы на оправке.

3. Выявление причин образования органических погрешностей формообразования и вывод зависимостей для их количественной оценки.

4. Уточнение специфики метрологии технологического сопряжения: винтовая прессовая оправка отштампованный полуфабрикат осколочного корпуса, и на этой основе уточнение технических требований к винтовым прессовым оправкам.

5. Разработка технологии, обеспечивающей получение заданной точности формообразования и обоснование конструкторско-технологических решений для её реализации.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории технологической наследственности, теории точности механической обработки, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ. Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики.

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.

Автор защищает:

1. Рациональный способ формообразования винтовых выступов на длинной прессовой оправке обработкой инструментом червячного типа.

2. Методику профилирования режущей части резцов и выведенные аналитические зависимости, описывающие связь параметров деформации срезаемого слоя и сил резания.

3. Определение параметров установки червячной фрезы и выведены формулы для её профилирования.

4. Доказательство факта, что доминирующими причинами образования органических погрешностей формообразования являются систематические динамические погрешности продольного сечения оправки и хода винтовой поверхности. Выведенные зависимости связывают технологические параметры процесса нарезания канавок (режимы и силы резания) и параметры технологической позиции, связанные со схемой базирования оправки.

5. Теоретическое обоснование явления образования натяга между прилегающими винтовыми поверхностями прессовой оправки и полуфабриката осколочного корпуса, который затрудняет выпрессовку. Уточненные технические требования к продольным погрешностям прессовой оправки.

6. Технологию получения заданной точности формообразования винтовых оправок, включающей в себя операции зубофрезерования и хонингования и обоснование конструкторско-технологических решений для её реализации.

Научная новизна состоит из следующих элементов: выявления закономерностей образования систематических погрешностей, в частности влияния на них режимов резания, схемы базирования и жесткости технологической системы;

— уточнения специфических моментов метрологии сопряжения: винтовая прессовая оправка полуфабрикат осколочного корпуса, объясняющих возникновение натяга по приведенному среднему диаметру винтовых поверхностей при наличии зазора по собственно среднему диаметру;

— обоснования технологии, параметров токарного резца и червячной фрезы и режимов окончательной обработки хонингованием винтовых оправок.

Практическая значимость. Созданная комплексная технология и технологическая оснастка позволяют повысить точность формообразования винтовых прессовых оправок и улучшить их эксплуатационные свойства.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на предприятии ЗАО «Тулаэлектропривод». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 552 900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств». Теоретические положения диссертации были реализованы в НИОКР выполняемой в рамках Контракта № 10 021р/16 818 от 09.12.2011 с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, а также в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации (тема Регистрационный номер: 7.1439.2011 19.59.2011), выполняемой по единому наряд — заказу на фундаментальные работы ТулГУ по плану 2012 г.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международной юбилейной НТК «АПИР-2009 г. (г. Тула) — ВНТК «Будущее машиностроения России» (Москва, 22−25 сентября 2010 г.) — на Региональной НТК «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов" — на У-я и У1-й магистерских НТК ТулГУ, на молодежной НПК ТулГУ «Молодежные инновации» (2010 года), а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009;2011г.г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень ВАК», — 2- статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов — 8- из них статей без соавторства — 6.

В первой главе описывается предмет производства осколочный корпус с внутренними винтовыми канавками технология их получения путем обжиме на винтовой оправке (пуансоне). Рассматриваются варианты технологии изготовления деталей подобных рассматриваемым винтовым оправкам. Их можно отнести к типу шлицевых валов или винтовых зубчатых колес. Зубья пунсонов можно обработать на токарном станке резцами, в этом случае процесс будет близок к строганию, дисковыми и пальцевыми фрезами, долбяками, инструментами червячного типа.

Во второй главе даны расчеты профиля винтового инструмента оправок для получения винтовых канавок на теле корпуса изделия, а также разработана методика профилирования инструмента, нарезающего винтовые выступы на оправке.

Отправной точкой для расчета геометрических параметров многозаходных винтовых оправок в большинстве случаев является чертеж детали. Как правило, на чертеже профиль и размеры канавок, а также расстояние между ними дается на развертке внутренней поверхности, в сечении, перпендикулярном направлению винтовых канавок. Чертежом детали оговаривается и угол наклона винтовых канавок к продольной оси детали.

Обычно технология обработки заготовок состоит из трех операций: получения винтовых канавок одного направления, получения канавок противоположного направления и калибровки детали для уточнения внутреннего и наружного диаметров, а также получения прямолинейности образующих цилиндров. Для получения необходимых размеров полая цилиндрическая заготовка проходит обработку пластическим деформированием в три операции. Процесс будем рассматривать в обратном порядке, т.к. в качестве исходных данных имеем конструкторский чертеж детали.

По аналогичным рассуждениям были выведены формулы для определения геометрических параметров винтовых пунсонов, а для автоматизации расчета диаметров матриц и оправок, так как номенклатура изделий подлежащих обработке достаточно велика, была разработана программа, производящая расчет по выведенным формулам. Программа адаптирована для целей исследования процесса обжатия полых цилиндрических деталей на винтовых оправках и не рассматривает обработку на калибрующей операции.

Третья глава посвящена разработке методике профилирования фасонных резцов для нарезания винтовых поверхностей на оправке.

Расчет профиля резца производится в сечении, перпендикулярном рабочему зубу оправки.

Далее в главе определены аналитически деформации срезаемого слоя и найдены зависимости для определения сил резания в зависимости от принятой схемы резания и геометрических параметров режущей части резца.

Интенсивность сдвига зависит от угла схода стружки |/ - угла между направлением схода стружки и режущей кромкой.

Чем меньше угол у, тем больше величина сдвига. Например, при нарезании впадины трапецеидальным резцом с углом профиля 60° относительный сдвиг для стружки, срезаемой вершиной резца, составит 0, а для стружки, срезаемой боковыми кромками, составит С, 1 В = £2 В = 1,73.

Из-за неодинаковой толщины стружки происходит разрыв по ее границам и скольжение по боковым поверхностям. Если же прочности стружки в сечении ВВ2 оказывается достаточно, то разрыва не произойдет. Тогда элемент стружки РВВ2Р2 испытает со стороны соседней стружки дополнительное сжатие и примет форму РВВЗБЗ. В этом случае угол сдвига уменьшится, толщина стружки увеличится. При одновременной работе режущих кромок У-образного или трапецеидального резца возможно образование двух типов стружки: монолитной, без разрывов (чаще бывает плоской или слабо завитой в спираль) — с разрывом по боковым поверхностям в месте давления соседних стружек (каждая из частей стружки завита в спираль).

Экспериментально установлена величина деформации срезаемых слоев вершинной и одной боковой кромкой резца при различной глубине резания.

При срезании слоя до 2 мм стружка сходит под углом 90° к вершинной кромке. Деформация по ширине стружке от боковых кромок почти одинакова, стружка имеет монолитную структуру. Возрастает коэффициент усадки, что объясняется зависимостью коэффициента трения от величины срезаемого слоя. При дальнейшем увеличении глубины резания до 3 мм направление схода стружки резко меняется в сторону перпендикуляра к режущим кромкам, стружка меняет вид, на ней появляются разрывы по смежным поверхностям. Главной причиной износа задних поверхностей боковых режущих кромок является высокая степень деформации боковых слоев. При увеличении глубины резания до 7 мм слой, срезаемый вершинной кромкой, подвергается сильному сжатию вдоль кромки, сдвигу и смятию со стороны боковых кромок, что вызывается пересечением направлений схода стружки от боковых и вершинной кромок.

Деформация снижается с увеличением подачи, а так же с ростом углов <р1 и ф2, так же следует отметить, что при постоянной ширине срезаемого слоя деформация снижается сильнее. Длина вершинной кромки не оказывает влияния на степень деформации. По результатам разработанной методики спроектирован токарный резец для нарезания винтовых впадин.

В четвертой главе определены параметры режущего инструмента и его установки. Винтовая поверхность заготовки, вращающаяся с частотой п, обрабатывается инструментом червячного типа, имеющим скорость вращения пО, перемещение по оси заготовки с подачей 8.

Основными характеристиками, требуемыми при расчетах для проектируемой детали, являются: число заходов ъ угол наклона винтовой линии на начальном цилиндре ррадиус начального цилиндра гН. Для червячного инструмента: число заходов гОугол наклона винтовой линии на начальном цилиндре (30- радиус начального цилиндра гОН. Требуется определить эти параметры режущего инструмента, а также угол скрещивания осей инструмента и заготовки емежосевое расстояние т.

При расчетах для правой стороны профиля значение т имеет знак плюс, а для левой — минус.

С использованием вышеизложенной теории создана программа, определяющая координаты всех точек режущей кромки, результаты вычислений записываются программой в текстовый файл для последующей обработки.

При нарезании зубчатых профилей червячными фрезами задействованы две или три режущие кромки лезвия, так же, как и при резании зубострогальными резцами. Общие принципы стружкообразования позволяют исследовать этот процесс для червячных фрез, взяв за основу рассмотренный в третьей главе процесс снятия стружки трапецеидальным резцом.

В процессе обработки наиболее интенсивный износ имеют зубья фрезы, которые срезают металл тремя кромками. В большинстве случаев при срезании стружки зубьями червячной фрезы толщины стружек будут не одинаковыми со стороны входной и выходной кромки. В результате этого происходит отклонение схода стружки от нормали к режущим кромкам. Рост деформации вызывает давление на переднюю поверхность, что увеличивает износ, поэтому он на выходной кромке может быть больше, чем на входной. Значительный износ передней и задней поверхности выходной кромки является следствием интенсивной деформации сдвига срезаемого слоя. В результате высоких значений пластической деформации в зоне обработки при резании инструментом трапецеидальной формы регистрируются большие силы резания.

Для уменьшения отклонения стружки от входной кромки к выходной можно увеличить толщину стружки, срезаемой вершинной кромкой. В результате чего деформация сдвига и смятия на выходной кромке будет снижена. С этой целью применяют измененные схемы резания — вершинонагруженную и прогрессивную. Из проведенного исследования по определению сил резания при обработке зубчатых профилей инструментом червячного типа следует, что тангенциальная составляющая силы резания при использовании стандартных фрез значительно выше, чем при применении фрез с прогрессивной схемой резания. При применении фрез с вершинонагруженной схемой сила резания больше, чем при резании прогрессивными фрезами, но меньше, чем стандартными. Это объясняется разной степенью деформации срезаемых слоев. Резание фрезой с прогрессивной схемой резания близко по условиям свободному резанию.

Стандартная фреза срезает металл тремя или двумя кромками, что приводит к образованию стружки Побразной формы и ухудшению условий формообразования, повышению деформации сдвига и возникновению деформации смятия. В отличие от подобного резания резцом, деформация стружки будет выше при фрезеровании, так как боковые кромки зуба будут срезать слои металла неодинакового поперечного сечения, что приведет к отклонению схода стружки от нормали к вершине. В среднем сила резания прогрессивными фрезами будет в 1,2 — 1,6 раза меньше сил резания стандартными фрезами. Сила резания фрезами с вершинонагруженной схемой в 1,18 — 1,33 раза меньше сил резания стандартными фрезами.

В ходе обработки при вращении фрезы из-за колебания силы резания происходит изменение межосевого расстояния фрезы и заготовки, приводящее к радиальному биению и погрешности профиля нарезаемого зуба. В случае применения фрез с прогрессивной или вершинонагруженной схемами резания, сила резания в ходе обработки изменяется менее интенсивно. У фрез с измененной схемой резания, в частности у фрез с прогрессивной схемой, в профилировании нарезаемых зубьев участвует в два раза меньше зубьев, чем у стандартных фрез, что вызывает огранку. В большей степени это касается заготовок с малым числом зубьев.

Исследования в области нарезания зубчатых профилей фрезами с скорректированными схемами резания показали, что их применение позволяет получить более точный профиль зубьев в сравнении со стандартными фрезами.

Эксперименты подтверждают повышение точности при применении вершинонагруженной и прогрессивной схем резания относительно стандартной. С увеличением подачи наблюдается рост погрешности, однако, по сравнению со стандартными схемами, при применении измененных схем резания требуемую точность обработки моно достичь при большей подаче.

Установлено, что при некотором увеличении величины огранки при применении прогрессивной схемы резания, общая погрешность профиля окажется меньше, чем при применении стандартной схемы.

Применение вершинонагруженной и прогрессивной схем резания практически не оказывает влияния на шероховатость поверхности, в отличие от направления подачи. При попутном фрезеровании для всех схем резания наблюдается снижение высоты микронеровностей. Наибольшее влияние направление подачи оказывает при обработке стандартными фрезами, и наименьшее верпшнонагруженными и прогрессивными.

По результатам расчетов и исходя из проведенных исследований, была спроектирована червячная однозаходная фреза с прогрессивной схемой резания.

В пятой главе на основе анализа схем установки заготовки и оправки на операции формообразования винтовых выступов, установлено, что доминирующими являются погрешности формы оправки в продольном сечении в виде бочкообразности с максимальной погрешностью посредине, определяемой по известной зависимости.

Оказалось, что эта погрешность превышает величину упругого восстановления корпуса после обжима, что и приводит к затруднениям при выпрессовке винтовой оправки. Дополнительную лепту в увеличение приведенного натяга вызывает погрешность хода винтовой лини. Имея не очень большие значения, порядка 0,01.0,02 мм, они увеличивают приведенный средний диаметр винтовой.

Из-за конструктивных особенностей во время обработки рассматриваемой заготовки под действием сил резания происходит отклонение оси от прямой линии. Для определения влияния данной погрешности на величину приведенного среднего диаметра была проведена оценка величины упругого отжатия и разработана методика его расчета. Для этого оправка представляется в виде балки под нагрузкой. Прогиб вычисляется в каждой точке траектории движения инструмента с заданным шагом по универсальному уравнению упругой линии после ухода от статической неопределимости.

Таким образом, в совокупности две указанные погрешности и вызывают затруднения при выпрессовке оправки из полуфабриката корпуса.

Для устранения отрицательного влияния погрешностей формообразования в технологический процесс следует ввести дополнительную отделочную операцию.

Чтобы устранить влияние радиальных деформаций предлагается использовать для этой операции инструмент с замкнутым силовым контуром, например охватывающий притир или хонинговальную головку.

При обработке оправки с четным количеством зубьев, бруски устанавливаются симметрично и постепенно поджимаются обжимным конусом. Вращение обжимного конуса, сегментов колец и брусков осуществляется за счет винтового направления зубьев. Обработка ведется на токарном станке.

Рекомендуемые параметры инструмента и режимов обработки заимствованы нами из работ кафедры технологии машиностроения ТулГУ по алмазному хонингованию цилиндрических поверхностей.

Расчеты показывают, что применение подобной технологии практически полностью устраняет продольные погрешности оправки, существенно снижает шероховатость его поверхности (с Яа 1,6 до Яа 2,5мм).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В работе решена актуальная научная задача — повышение эффективности технологии изготовления и повышения точности обработки винтовых оправок, имеющая существенное значение для специальных отраслей промышленности.

1. В результате сравнения используемых в промышленности методов обработки винтовых канавок показано, что в единичном производстве обработку канавок целесообразно осуществлять резцами, а в мелкосерийном производстве — дисковыми и пальцевыми фрезами с периодическим делением. Использование долбления целесообразно при обработке канавок, не имеющих свободного выхода, на заготовках из стали с высокой обрабатываемостью в массовом и крупносерийном производстве.

2. Показано, что в производстве с любым объемом выпуска для нарезания канавок могут быть использованы многолезвийные инструменты червячного типа. Для достижения положительного эффекта при обработке канавок этими инструментами необходимо разработать новые рациональные схемы резания, конструкции режущих инструментов и оснастки.

3. По имеющимся параметрам обработанной обжатием оболочки и, исходя из условия сохранения неизменной величины ее перемычки и объема металла, разработана методика, позволяющая определить диаметры и длины инструмента на каждом из переходов. С целью автоматизации процесса и осуществления подбора и контроля изготавливаемых инструментов создана специальная программа.

4. Полученные размеры оправки и параметры ее винтовых выступов позволяют определить необходимые параметры токарного резца и его установки, что позволило разработать принцип нарезания впадин на токарном станке.

5. Показано, что смежные слои стружки влияют на соседние слои, вызывая дополнительный сдвиг, приводящий к деформации и разрыву стружки, ухудшению условий обработки и повышению сил резания, что в совокупности снижает точность и качество обработки.

6. С использованием теории Лашнева разработана математическая модель и создана специальная программа, позволяющая с заданной точно-стью профилировать прямобочный профиль винтовых выступов оправки.

7. Показано, что применение прогрессивной схемы резания червяч-ными фрезами с модифицированными зубьями снижает силы резания, повышает стойкость инструмента, улучшает точность обработки и качество получаемой поверхности.

8. Обосновано, что для достижения требуемой точности и качества поверхности винтовых выступов оправки необходимо ввести дополнительную отделочную операцию — обработку хонингованием. Результаты работы приняты к внедрению на ЗАО «Тулаэлектропривод».