Науково-технологічні основи виробництва навивних заготовок деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

УДК 621.7.043

НАУКОВО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ВИРОБНИЦТВА НАВИВНИХ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

05.02.08 - технологія машинобудування

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ПИЛИПЕЦЬ Михайло Ількович

Львів 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, Заслужений винахідник України Гевко Богдан Матвійович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”.

Офіційні опоненти : доктор технічних наук, професор Лінчевський Павло Адамович, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”;

доктор технічних наук, професор Гуліда Едуард Миколайович, Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Технологія машинобудування”;

доктор технічних наук, професор Карпусь Владислав Євгенович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри “Технологія машинобудування”.

Провідна установа - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”,кафедра “Технологія машинобудування” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться 5 червня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, м. Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд. 226 гол. корп.).

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 3 травня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д35.052.06 Форнальчик Є.Ю.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток сучасного машинобудування вимагає всестороннього розроблення, дослідження та впровадження прогресивних, ресурсоощадних технологій, що дозволить зменшити питомі матеріально-енергетичні витрати, підвищити ефективність виробництва, поліпшити якість продукції, зменшити собівартість її виготовлення.

Створення нових машин і механізмів - процес довготривалий та трудомісткий і охоплює комплекс теоретичних та експериментальних досліджень, пов'язаних з уточненням параметрів технологічних процесів і характеристик машин, їх окремих вузлів та механізмів. Серед цього однією з важливих проблем є розроблення прогресивних ресурсоощадних технологічних процесів виготовлення деталей класу “тіла обертання” з нових типів навивних заготовок (НЗ) циліндричної та профільної форми. Використання НЗ істотно поліпшує техніко-економічні показники технологічних процесів виготовлення деталей цього класу, а тому сфера їх застосування потребує суттєвого розширення.

Запровадження НЗ вимагає поглибленого аналізу відомих технологічних процесів виготовлення їх, створення ефективніших процесів щільного навивання заготовок із стрічкового вальцювання на оправу, а також розроблення технологічного устаткування й спорядження з високими техніко-економічними показниками.

Тому дослідження, пов'язані із встановленням закономірностей формоутворення нових типів НЗ круглої та профільної форм методом холодного пластичного деформування стрічки щільним навиванням на оправу, становитимуть наукову основу створення ресурсоощадних технологічних процесів їх виробництва, що є актуальним для подальшого розвитку машинобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась з урахуванням вимог “Державної програми розвитку сільськогосподарського машинобудування та забезпечення агропромислового комплексу конкурентоспроможною технікою”, затвердженої 1 грудня 1997р. Кабінетом Міністрів України та згідно з програмами держбюджетних тем №ДІ39-94(1994 р.), №ДІ64-96 (1996 р.), №ДІ78-99 (1999 р.), №ДІ84-2000 (2000 р.), у яких автор брав безпосередню участь як старший науковий співробітник.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності виробництва на основі розроблення науково-технологічних засад і методології створення ресурсоощадних технологій та устаткування для виготовлення прогресивних конструкцій навивних заготовок деталей машин класу “тіла обертання”.

Задачі дослідження. Для реалізації поставленої мети були розв'язані наступні задачі:

1. Виявлено основні технічні протиріччя під час експлуатації механізмів різного службового призначення, які властиві існуючим процесам формоутворення НЗ. Розроблено теоретичні передумови формоутворення навивних циліндричних заготовок із ребристих і штабових профілів пластичним деформуванням способом щільного навивання з відповідними технологічними та конструктивними параметрами.

2. Розроблено теоретичні та технологічні основи забезпечення дискретного й неперервного формоутворення циліндричних і профільних заготовок та необхідні формотвірні інструменти й технологічне спорядження. Створено узагальнену модель кінематичних схем формоутворення та запропоновано технологічні схеми навивання циліндричних гвинтових заготовок із профільного вальцювання з номінальними та граничними конструктивними параметрами на основі ресурсоощадних технологій.

3. Досліджено з використанням ЕОМ технологічні процеси проточування конусних та еліпсних гвинтових елементів, перехідні процеси ударної взаємодії різця із спіраллю на основі теорії динаміки багатомасових систем.

4. Розроблено оптимізаційні моделі технологічності конструкції гвинтових робочих органів (ГРО) машин і технологічного процесу виготовлення НЗ із заданими обмеженнями технологічних та конструктивних параметрів, які ґрунтуються на методах нелінійного програмування та аналітичного розв'язку рівнянь.

5. На основі теоретичних передумов виконано комплекс експериментальних досліджень процесів виготовлення циліндричних і профільних НЗ із прямих і профільних стрічок методом щільного навивання на оправу з заданими конструктивними та технологічними параметрами. Встановлено закономірності впливу конструктивно-технологічних чинників на механічні властивості матеріалу НЗ та параметри точності процесів їх формоутворення. Вибрано оптимальні режими пластичного деформування та механічного оброблення НЗ.

6. Розроблено методологію проектування та комплекс рекомендацій щодо впровадження у виробництво результатів досліджень технологічних процесів формоутворення НЗ та деталей з них, відповідного устаткування й спорядження для виготовлення навивних заготовок, а також створено нові робочі органи машин і механізмів широкого функціонального призначення.

Об`єкт дослідження - прогресивні технологічні процеси виготовлення деталей машин з навивних циліндричних і профільних заготовок.

Предмет дослідження - методи, технологічні основи та обладнання для формоутворення навиванням на оправу циліндричних і профільних заготовок. навивний заготовка деталь машина

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтувались на основі теорій пружності й пластичного деформування з використанням методів системного аналізу, положень аналітичної геометрії, теоретичної механіки, диференціального та інтегрального числення, теорії надійності, параметричної і структурної оптимізації, нелінійного програмування. Експериментальні дослідження виконувалися за спеціально розробленою методикою з використанням виготовленого устаткування та спорядження, дослідних і промислових зразків на основі методів математичного планування експерименту, теорії подібності та моделювання, тензометрії, а також на основі розроблених методів визначення технологічних, силових і конструктивних параметрів. Результати експериментальних досліджень опрацьовували з використанням методів математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі теоретичних та експериментальних досліджень вдосконалена прикладна теорія пластичного формоутворення стосовно створення ресурсоощадних технологій виготовлення навивних заготовок деталей машин класу “тіла обертання”.

В рамках цієї теорії отримано нові наукові результати:

- розроблено науково-технологічні передумови створення прогресивних технологіч-них процесів виготовлення нових типів НЗ щільним навиванням профільних стрічок на оправу з відповідними технологічними та конструктивними параметрами;

- розвинуто методологію розрахунку гвинтових елементів на міцність із визначенням величини критичної сили для забезпечення стабільності технологічного процесу виготовлення заготовок зі зведеною висотою (відношенням висоти стрічки до її товщини з урахуванням радіусу кривини навивання) до 15 і зменшеними ресурсозатратами;

- синтезовано узагальнену багатокомпонентну кінематичну схему формоутворення гвинтових профілів, яка дозволила створити реальну науково-прикладну основу для проектування принципово нових ресурсоощадних технологічних процесів;

- розвинено прикладну теорію оптимізації технологічності конструкції гвинтових деталей з використанням теорій нелінійного оптимального програмування Куна-Таккера та Лагранжа і раціональну технологію їх виготовлення, відповідно до схем формоутворення навивних заготовок;

- уточнено критерій оцінки процесу навивання стрічки на ребро - коефіцієнт зведеної висоти, який на відміну від відомого, характеризує параметри стрічки, що навивається, та радіус кривизни навивання.

Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні дослідження дали змогу отримати аналітичні залежності для визначення конструктивних та технологічних параметрів і на їх основі розробити технологічні схеми формоутворення циліндричних і профільних гвинтових заготовок методами дискретного й неперервного формоутворення з прямих і профільних стрічок (Пат. 38108 А).

Розроблена методологія проектування нових технологічних процесів виготовлення циліндричних і профільних заготовок деталей машин щільним навиванням на оправу, технологічного устаткування і спорядження можуть бути використані у проектуванні принципово нових конструкцій навивних деталей машин (Пат.43104А, 43105 А).

Проведено комплекс експериментальних випробувань й досліджень процесів виготовлення циліндричних і профільних НЗ з прямих і профільних стрічок щільним навиванням на оправу із заданими конструктивними та технологічними параметрами, зокрема процесу проточування спіралей шнеків із заданим кроком. На цій основі створено конкурентоздатні гвинтові механізми машин різного службового призначення впроваджені у ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” (м. Тернопіль), ВАТ “Хмельницький механічний завод” (м. Хмельницький) та Волочиському машинобудівному заводі підприємства “МОТОР СІЧ” (Хмельницька обл.).

Крім цього, розроблені та виготовлені контрольно-вимірювальні пристрої багатопараметричного контролю розмірів спіралей шнеків для різних типів виробництв (впроваджено в ТОВ “Унівест” м. Тернопіль); технологічне устаткування і спорядження для виготовлення НЗ деталей машин, яке забезпечує економію матеріально-енергетичних ресурсів на 20-30%; інженерна методика розрахунку й проектування технологічних процесів дискретного та неперервного формоутворення циліндричних і профільних заготовок (впроваджено у ВАТ “ТеКЗ” м.Тернопіль, “Ковельсільмаш” м. Ковель, “Харківський ЗТД” та АТ “ХТЗ” м.Харків).

Технічна новизна розроблень захищена авторськими свідоцтвами, патентами України на винаходи та позитивними рішеннями на видачу патентів.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень дисертації використовуються у лекційних курсах “Технологічні методи виробництва заготовок деталей машин” та “Технологія машинобудування” у навчальному процесі Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень отримані автором особисто.

У спільних теоретичних розробках [13, 17, 18, 21, 22, 28, 40] автору належать формулювання задач досліджень, обгрунтування методології та способів їхнього розв'язку, створення математичних моделей і розрахункових схем для визначення параметрів гвинтових заготовок; в статтях [15, 16, 20, 21] здобувачем запропоновано схеми формоутворення навивних заготовок та розроблено технологічні процеси виготовлення деталей з них, а також конструкції спорядження в [27] розроблено принцип класифікації гвинтових заготовок; в роботах [19, 24,] запропоновано методику оптимізації робочих органів, а в [23] методику зміцнення спіралей.

Під час виконання прикладних досліджень у спільних розробках здобувач формував програми експериментальних, лабораторних і виробничих випробувань, брав безпосередню участь у проектуванні, розроблені конструкторсько-технологічної документації та виготовленні дослідних пристроїв, а також проводив випробування та опрацювання отриманих результатів [1, 13, 14, 18, 25, 26, 39].

Роботи [2-12, 34-38] опубліковані самостійно.

У винахідницьких працях здобувач генерував ідеї, брав безпосередню участь в розроблені конструкцій пристроїв [29 - 33].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідалися і обговорювалися на науково-практичних конференціях: Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя (Тернопіль, 1994-2001); Всеросійській науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю від дня народження акад. Мазлумова (м. Рамонь, 1996); міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы и перспективы создания новой свеклоуборочной техники”(Вінниця, 1996 р.); науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю з дня заснування Національного аграрного університету (Київ, 1998); 4-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2001); 1-й науково-практичній конференції Луцького державного технічного університету (Луцьк, 2000); 15-й Міжнародній науково-практичній конференції “Прогресивні технології у машинобудуванні” (Одеса, 2000); 2-й міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (Луцьк, 2001).

У повному обсязі дисертація доповідалася у 2001 р. і отримала позитивні відгуки на: розширеному засіданні кафедри “Технологія машинобудування” та науково-технічного семiнару “Технологічні процеси та конструювання обладнання, машин і механізмів” Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя; розширеному засіданні наукового семінару кафедри “Технологія машинобудування” Національного університету “Львівська політехніка”; розширеному засіданні наукового семінару кафедри “Технологія машинобудування” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”; засіданні технічної ради ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”.

Публікації. За темою дисертації загалом опубліковано 78 наукових праць, в тому числі 1 монографія в співавторстві, 35 наукових статей (11 одноосібних) у фахових журналах і збірниках наукових праць, 26 матеріалів та тез конференцій і симпозіумів (10 одноосібних), 17 авторських свідоцтв та патентів на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, висновків і додатків. Викладена на 345 сторінках, містить 120 рисунків, 15 таблиць, а також додатки на 100 стор. Список літератури включає 306 позицій. Загальний обсяг дисертації - 445 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі висвітлено сучасний стан досліджуваної проблеми, показано її важливість та наведено результати, отримані іншими авторами. Наведено характеристику способів формоутворення та здійснено аналіз відомих технологічних схем навивання гвинтових заготовок. Розглянуто сферу застосування НЗ.

Аналіз існуючих методів формоутворення гвинтових заготовок показав, що вони не є ресурсоощадними та не забезпечують можливість отримання їх із зведеною висотою понад 10, а тому потребують подальшого вдосконалення з розширенням функціональних і технологічних можливостей отримання гвинтових елементів складних форм із поперечним перерізом різного профілю.

У другому розділі розроблено класифікацію профілів заготовок, яка включає 46 технологічних груп, об'єднаних за формою профілів у 19 класів. Вона дає можливість вибирати технологічну групу для новостворюваного профілю, й тим самим рекомендувати для нього можливу принципову схему формоутворення.

Наведено економічне обґрунтування доцільності використання НЗ і запропоновані перспективні їх конструкції з різними функціональними призначеннями. Навивні заготовки можна застосовувати для виготовлення деталей машин різного службового призначення - шестерні, муфти, гайки, тарільчасті навиті пружини, кулачки, поршневі і стопорні кільця тощо.

Навивні заготовки, калібровані за кроком, використовують для виготовлення робочих органів машин і механізмів транспортно-технологічних систем. Це очищувачі, подрібнювачі, змішувачі, преси для пресування різних матеріалів і вичавлювання соків, робочі органи снігоочисних машин та інших машин і механізмів у харчовій, переробній, фармацевтичній та металургійній промисловості.

Гвинтові заготовки використовуються як затискні елементи технологічного оснащення металорізальних верстатів. До них належать цангові спіральні затискні пристрої з великим діапазоном розмірів деталей, які затискаються; затискні пристрої двосторонньої дії для тонкостінних циліндричних деталей у металорізальних верстатах; гвинтові цангові патрони для затискання деталей за зовнішнім діаметром; гвинтові подавальні цангові патрони циліндричних заготовок.

У процесах формоутворення НЗ та експлуатації механізмів різного службового призначення, виготовлених з них, виникають технічні протиріччя, усунення яких дає змогу розв'язати науково-прикладну проблему підвищення надійності, довговічності і продуктивності цих механізмів. Розроблено комплекс науково-практичних заходів, які дали змогу уникнути протиріч і створити конкурентоздатні гвинтові механізми, значно покращити їх техніко-економічні й експлуатаційні характеристики.

Виконано синтез технологічних і кінематичних схем формоутворення НЗ різної конфігурації з різними функціональними можливостями, на основі якого розроблено комплексну схему кінематики механізмів формоутворення заготовок. Використанням її можна створювати необхідну конструкцію спорядження для того чи іншого способу формоутворення НЗ.

Критерій оцінки стійкості процесу навивання стрічки на ребро, яким є коефіцієнт її питомої висоти, розроблений проф. Гевко Б.М., відноситься до навивання спіралей шнеків з великим внутрішнім діаметром. Він не у повній мірі оцінює суть одержання НЗ з мінімальним внутрішнім діаметром. Тому у процесі формоутворення заготовок навиванням виникає потреба введення нового критерію, який би враховувував поєднання коефіцієнта питомої висоти та радіуса кривини навивання заготовки. З цією метою запропоновано новий показник - коефіцієнт технологічної складності К_тс процесу навивання гвинтових заготовок на оправи.

Суть коефіцієнта можна виразити залежністю

, (1)

де В - висота стрічки; показник степеня функції; коефіцієнт, який враховує параметри процесу формоутворення, ; r - радіус оправи.

Попередні дослідження показали, що стабільний процес формоутворення навиванням здійснюється за умови коли коефіцієнт нерівномірності витягування . Тоді формулу (1) можна записати

(2)

На підставі експериментально визначеного коефіцієнта технологічної складності, розроблено новий критерій оцінки стійкості процесу формоутворення НЗ, який оцінюється їх зведеною висотою b_зв :

, (3)

де - питома висота заготовки, тут Н - товщина стрічки.

Розроблено методику виконання теоретичних та експериментальних досліджень, програмою яких було передбачено визначення та уточнення конструктивних і технологічних параметрів процесів формоутворення.

У третьому розділі розглянуто особливості виготовлення навивних заготовок з плоских стрічок, ребристих профілів і широкосмугових первинних заготовок методами холодного пластичного деформування дискретним та неперервним навиванням. Суть перелічених методів полягає у створенні таких умов, за яких попереджається втрата стійкості ребер під час згинання. У зоні пластичного деформування створюється складний напружено-деформівний стан, дослідження якого важливе для визначення низки технологічних чинників процесу та конструктивних параметрів виробу.

Під час навивання спіралі розподіл контактних напружень невідомий, а напружено-деформівний стан описується симетричними тензорами другого рангу (рис.2). У прямокутних декартових координатах для довільного елементу заготовки рівняння рівноваги відоме.

Враховуючи гвинтову симетрію спіралі, замість декартових координат зручно використовувати спеціальну систему гвинтових координат , в якій вісь спрямована вздовж дотичної до гвинтової лінії (напрямної), вісь - вздовж нормалі, а вісь - вздовж бінормалі. Оскільки розглядається напружено-деформівний стан у тонких пластинах, то приймаємо, що вісь спрямована прямолінійно вздовж нормалі до серединної поверхні, а орти системи співпадають з векторами супутнього трикутника серединної гвинтової лінії.

Для складання рівняння рівноваги в системі гвинтових координат розглянемо виділений елементарний об'єм: . На гранях виділеного об'єму будуть діяти нормальні , , та відповідні тангенціальні напруження, як вказано на рис. 2.

Як показали експериментальні дослідження, стійкість технологічного процесу неперервного навивання спіралей з ребристих профілів і сходження з оправи навитої заготовки за мінімальних енергозатрат забезпечується лише тоді, коли сила тертя між першими двома- трьома навитими витками і оправою буде максимальною.

Викладена методика розрахунку параметрів формоутворення ребристих профілів може мати широке застосування, зокрема для виготовлення заготовок з Г-подібних гвинтових профілів. Технологічні параметри процесу навивання (граничні напруження, розтягувальна сила, момент від тангентних напружень) визначаються за залежностями, наведеними вище.

Встановлено, що запропонований технологічний процес навивання ребристих профілів забезпечує виготовлення гвинтових заготовок за умови, що граничне відношення їх висоти до ширини ребра обмежується не втратою стійкості, а пластичністю металу, що підтверджується розподілом деформацій та напружень за перерізом профілю під час навивання (рис.4).

Для навивання широкосмугових НЗ запропоновано метод формоутворення з недеформованою зоною, яка забезпечується виготовленням у смузі, що підлягає навиванню, розрізів або вирізів трикутної чи еліпсної форми. Таке конструктивне рішення уможливлює стійке навивання заготовок на оправу, оскільки пластична деформація під час формоутворення відбувається не за всією висотою заготовки, а лише на певній частині, яка прилягає до зовнішнього краю спіралі, і визначається умовою пластичного деформування матеріалу заготовки.

Під час навивання заготовки зовнішнім діаметром на оправу, діаметр якої відповідає внутрішньому діаметру спіралі, пластична деформація проходить тільки в суцільній частині її. В цьому випадку нейтральний радіус деформації буде розміщений значно вище радіуса R_b вершин вирізів R_b < ₀ < D/2. Тобто

(15)

і процес буде здійснюватися за закономірностями неперервного навивання.

Неперервне формоутворення НЗ, схема якого зображена на рис. 5, характеризується тим, що під час навивання першого витка необхідно створити умови, щоб зусилля підтискання захоплювальної втулки було більшим від сили навивання. Це випливає з виведених аналітичних залежностей для визначення силових і конструктивних параметрів такого процесу.

Для розрахунку нормальних напружень у довільному поперечному перерізі витка НЗ і критичної сили складено програми на ЕОМ. Результати розрахунків, виконаних для початкової заготовки товщиною 3 мм, із сталі 08кп, подано у вигляді графіків залежності критичної сили Р від радіуса оправи r і висоти стрічки B, що навивається (рис.7).

Запропоновано методи досягнення точності шнекових механізмів за умов холодного навивання заготовок спіралей на прикладі виготовлення рифів очисників бурякозбирального комбайна.

Вплив похибок обробки на поле розсіювання величини кроку спіралі визначають за формулою:

(24)

де - кут підйому витка за внутрішнім діаметром; - похибки, які враховують допуск на виготовлення оправи та розсіювання розмірів внутрішнього діаметру пакетів в результаті пружного розкручування витків; - допуск на ширину заготовки; - похибки внутрішнього діаметру розтягнутих витків, що враховують допуск на виготовлення валків за зовнішнім діаметром (із урахуванням відхилень від циліндричної форми) та допустимий технологічний зазор між витками та рифом, що визначається із умови можливостей приварювання.

Із залежностей , наведених на рис.8 видно, що найбільший вплив на похибку кроку мають значення допуску заготовки , менший - похибки розміщення внутрішнього діаметру розтягнутих витків і найменший - похибки, що виникають під час навивання суцільного пакету витків. Отже, основна частка складових похибки формується на операціях розтягування і калібрування витків на крок.

Для підвищення точності спіралі шнека за зовнішнім діаметром у технологічний процес його виготовлення необхідно вводити операцію проточування, схема якої показана на рис.9.

Точіння перервних, особливо нежорстких поверхонь, до яких відносяться спіралі шнеків, пов'язане із надзвичайно складними ударними та формоутворюючими процесами взаємодії різця та нежорсткої повехні спіралі шнека. Побудова математичної моделі, яка включала б всі фази процесу різання із формалізованим описом процесу ударного руйнування матеріалу, що відбувається при цьому, становить проблему. Виправданою є побудова спрощеної моделі (рис. 10) ударної взаємодії різця із нежорсткою спіраллю з відповідною її дослідною перевіркою та експериментальним підбором параметрів.

У такій моделі поєднання елементів та їх динамічна взаємодія реалізується у спрощеній динамічній тримасовій системі, де різець, поданий зведеною масою m₁, з'єднаною із нерухомою системою верстата невагомим пружнім елементом із зведеною жорсткістю с₁, а шнек описаний зведеними масами умовної стружки (із приєднаним середовищем) m₂ та спіралі m₃. На різець будуть діяти сили удару P₁₂, від заокруглення різця та різання (відділення стружки) F₂₃, а також сила опору переміщенню від зношення задньої поверхні - F₁₃.

Маса m₂ взаємодіє з масою m₁ із силою контактного тиску Р₁₂, яка пов'язана із величиною жорсткого зближення степеневою залежністю

, (25)

де к - параметр, що залежить від геометрії тіл та пружних характеристик їх матеріалів; u - величина жорсткого зближення (між віддаленими точками) тіл контакту; - параметр характеру взаємодії вершин різця із спіраллю ( =1,5).

Дослідження системи проводили числовим способом з використанням методу Рунге-Кутта, на основі якого здійснювали підбір параметрів моделі таким чином, щоб вони відповідали результатам експериментального дослідження.

Отримані розв'язки для конкретних випадків дали змогу встановити основні закономірності обточування спіралей, характер протікання перехідного процесу при ударній взаємодії різця та спіралі, а також дослідити числовими методами з використанням ЕОМ вплив режимів різання та інших параметрів обточування на зміну зусилля різання.

Запропоновано теоретичну модель усадки стрічки за умов формоутворення НЗ, розрахункову схему якої зображено на рис.11.

У загальному випадку усадка стрічки в процесі навивання

, (28)

де - усадка стрічки від згинання; - усадка стрічки від зминання її на оправі; - усадка стрічки від зминання на деформуючому ролику.

Виведено математичну модель, яка описує взаємозв'язки усадок та інших параметрів, виходячи із таких припущень: матеріал заготовки ідеалний жорсткопластичний; деформуючий ролик є непривідний; вісь ролика перпендикулярна площині заготовки; вздовж контактної поверхні ролика та стрічки швидкість деформації Е_х=0; форма ділянки поперечного перерізу заготовки після контакту із роликом близька до профілю рівнобічної трапеції; дуга контакту ролика із стрічкою заміняється прямою лінією (похибка такої заміни не перевищує 0,3-2,0% у разі коли ); пружними складовими деформації нехтують.

Потужність зовнішніх сил у зоні контакту ролика із стрічкою та потужність внутрішніх сил у зоні деформації стрічки роликом можна визначити за формулами:

; , (29,30)

де , , - потужності відповідно внутрішніх сил у джерелі деформації для ідеального жорстко-пластичного тіла, зріз на стиках геометричного джерела деформації з відповідними зовнішніми зонами, яка витрачпється на подолання сил тертя при ковзанні в напрямку осі Z.

Процес зминання стрічки здійснюється за умови:

. (31)

Дійсна форма рівноваги тіла відрізняється від усіх інших можливих форм тим, що надає сумарній потужності мінімальне значення. Оскільки в даному разі енергія зовнішніх сил не є функцією варійованого параметра, то це дає підстави записати, що

. (32)

Розв'язок рівнянь (31, 32) відносно і дає змогу, підставивши значення потужностей внутрішніх сил, визначити значення усадки стрічки. Отримана математична модель описує закономірності складових усадки стрічки в процесі формоутворення НЗ деформуючим роликом та взаємозв'язки всіх чинників, які впливають на величину усадки стрічки, під час навивання її на ребро і може використовуватись для проектування та оптимізації технологічних процесів формоутворення НЗ.

В четвертому розділі наведено результати експериментальної перевірки визначених теоретичних значень коефіцієнтів технологічної складності К_тс, зведеної висоти b_зв, а також визначено експериментальний коефіцієнт К_е. З цією метою проведено комплекс досліджень процесу виготовлення НЗ із внутрішніми радіусами r=10 - 100 мм й шириною стрічки B до 50 мм, товщиною H=1 - 6 мм. Для початкових заготовок використовували стрічки із сталей Ст3, Ст08кп, та смуги із сталі 1Х18Н9Т і міді М2.

Дослідженням залежності коефіцієнта технологічної складності (К_тс) від ширини стрічки і внутрішнього радіуса НЗ встановлено, що його значення зростає зі збільшенням ширини стрічки і спадає із збільшенням внутрішнього радіуса заготовки. Він змінюється в межах 0 - 1,6, при цьому на величину К_тс.істотно впливає зменшення внутрішнього радіуса (рис. 12). Коефіцієнт зведеної висоти b_зв для різних параметрів НЗ (В=10 - 50 мм, r=10 - 100мм, H=2мм) зростає із збільшенням ширини стрічки і із зменшенням радіуса оправи (рис. 13).

Проведені експериментальні дослідження показали, що стабільний процес навивання заготовок здійснюється в тому випадку, коли rB, а відносна висота В/Н 22.

У зв`язку з особливістю навивання на оправу стрічки ребром гвинтові заготовки можна отримувати з обмеженими параметрами. Дослідження показали, що у разі, коли згин здійснюється силою, плече прикладення якої , зведена висота стрічки b_зв=2-5.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що зусилля згинання в значній мірі залежить від сили попереднього радіального притискування , яке практично визначає розрахункове значення довжини плеча прикладання згинальної сили.

Встановлено також, що за схемою неперервного навивання сила згинання в меншій мірі залежить від початкової осьової сили притискання, ніж під час дискретного процесу. На рис. 14а,б, наведено графічні залежності сили згинання різних типів стрічок від радіуса оправи, висоти стрічки, плеча прикладання сили згину та інших параметрів.

Дослідження моменту навивання заготовок із сталі 1Х18Н9Т за умов зміни висоти стрічки і радіуса оправи показали, що із зростанням значень висоти стрічки момент навивання зростає, тому що збільшується коефіцієнт технологічної складності, а із збільшенням радіуса оправи момент навивання зменшується, оскільки зменшується коефіцієнт технологічної складності процесу навивання заготовки на оправу (рис.15а,б). Проведені дослідження показали принципову можливість навивання на оправу гвинтових деталей зі зведеною висотою, що обмежується практично не втратою стійкості, а пластичністю металу.

В п'ятому розділі розроблено оптимізаційні моделі процесу формоутворення НЗ, їх конструктивних параметрів та технологічності робочих органів гнучких гвинтових конвеєрів, виконаних з них.

В шостому розділі викладено основи конструювання технологічного устаткування, спорядження та інструментів для формоутворення НЗ. Одержання навивних заготовок циліндричного та профільного поперечного перерізу, здійснюється за допомогою спроектованої машини таким чином (рис. 17). Заготовкою для навивання є стрічка заданих розмірів з необхідного матеріалу, яка подається в зону формоутворення з бухти й кріпиться в притискній втулці 3(рис. 17а). Осьове підтискання зусиллям Р_ос і зусиллям формоутворення Р_пр- забезпечують одержання заготовок з прямокутним поперечним перерізом. Виготовлення гвинтових заготовок з певним кроком витків здійснюється після знімання підтискної втулки з оправи та відведення формотвірного ролика 10 із зони формоутворення; на шток 4 пневмоциліндра монтується труба 9 з механізмом розклинювання 7 на кінці (рис. 17б). Перший виток навитої заготовки 5 відгинається і пропускається через механізм розклинювання. Процес навивання, в якому бере участь тільки притискний ролик 2, продовжується.

Навивна заготовка з профільним поперечним перерізом (рис. 17в) отримується за рахунок того, що для профільного навивання до сили радіального притискування P_пр, яка направлена перпендикулярно до сили осьового підтискування P_ос і руху обертання оправи додається зусилля формоутворення P_Ф, направлене під кутом до осі обертання оправи. Величина кута визначається кутом нахилу витків профільної навивної заготовки до осі обертання оправи (=90-). Подача стрічки в зону формоутворення й притискання кількох попередньо навитих витків до оправи здійснюється радіальною силою, яка більша за силу осьового підтискання і достатня для сходження профільної НЗ із зони формоутворення.

Крім процесу навивання спіралей, наведено характеристику способу виготовлення заготовок і кінцевого оброблення спіралей навивання з обкатуванням ротаційною головкою. Під час вальцювання гвинтових стрічок з великим коефіцієнтом нерівномірності витягування, шари металу за зовнішнім діаметром розпушуються і швидко зношуються. Тому їх обробляють проточуванням або шліфуванням на глибину 1,5 - 4 мм. Крім цього, спіраль має незначну товщину зовнішнього ребра, що призводить до швидкого зношування гвинтового механізму. У зв'язку з цим механічне оброблення спіралі різанням замінено ротаційним обкатуванням, що сприяє одночасно зміцненню та потовщенню зовнішнього контуру.

Для проточування перервних еліпсних гвинтових поверхонь використовується спеціально зконструйований верстат.

Паралельно до його повздовжнього супорта встановлено еліпсний копір, поперечний переріз якого є рівним поперечному перерізу еліпсної гвинтової поверхні деталі. Копір кінематично зв'язаний з приводом гвинтової оброблюваної деталі і ходовим гвинтом поздовжнього супорта, причому однотипні осі еліпсної поверхні деталі і копіра співпадають, а різцетримач задньою торцьовою поверхнею постійно контактує з поверхнею копіра і має радіальне переміщення, рівне максимальній різниці радіусів еліпсів.

На основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень, з урахуванням розв'язку й аналізу оптимізаційних задач, запропоновано раціональні параметри та режими технологічного процесу формоутворення заготовок і механічної обробки зовнішніх контурів спіралей:

В сьомому розділі викладено рекомендації щодо використання НЗ у машинобудуванні та інших галузях народного господарства. Запропоновано затискні пристрої з навивними затискними елементами (Патент України №40988А), використання навивних робочих органів для сортування та очищення коренеплодів (Патент України №39356А). Розроблені робочі органи гнучких гвинтових конвеєрів з навивних заготовок впроваджено у Хмельницькому механічному заводі з економічним ефектом 65 тис. грн. Для забезпечення змінюваного переміщення робочих органів, рух яких відтворює гвинтовий механізм, виконаний у вигляді пари “гвинт - гайка”, остання виконана з НЗ як нарізний механізм (Патент України №43104А, 43105А). З метою підвищення надійності та довговічності зубчастих коліс запропоновано їх конструкції, виготовлені з використанням НЗ (рішення про видачу патенту).

Впровадження запропонованих технологічних процесів виготовлення спіралей шнеків на Волочиському заводі підприємства “МОТОР СІЧ” дало річний економічний ефект 2540 крб. (станом на 1993 рік); чотирьох гвинтових конвеєрів на Хмельницькому механічному заводі 65 тис. грн.; Впровадження спіралей шнеків, стопорних кілець та фланців вентиляційних систем на ВАТ “ТеКЗ” - 104 тис. грн.

Висновки

Аналіз сучасного стану застосування методів формоутворення гвинтових циліндричних і профільних заготовок та їх конструктивно-технологічних параметрів показав, що вони не забезпечують належного рівня технологічності та не відповідають техніко-економічним вимогам за питомими витратами матеріально-енергетичних ресурсів і якістю їх виготовлення. В дисертації, на основі теоретично-експериментальних досліджень, виконано узагальнення та показано нове рішення науково-технічної проблеми розроблення ресурсоощадних технологічних процесів виготовлення НЗ циліндричної і профільної форм для деталей класу “тіла обертання” способом їх формоутворення з прямих і профільних стрічок навиванням на оправу із створенням відповідних технологічного устаткування та спорядження. Комплекс науково-експериментальних досліджень послужив передумовою для виробництва конкурентноздатного обладнання з гвинтовими робочими органами.

Розроблено теоретичні засади технологічних процесів формоутворення щільним навиванням заготовок з прямих і профільних стрічок з відповідними технологічними та конструктивними параметрами, моделі напружено-деформівного стану, який виникає внаслідок холодного пластичного деформування, що створюють реальну науково-технологічну основу для проектування принципово нових технологічних процесів виготовлення НЗ із зведеною висотою b_зв= 12-15.

Обґрунтовані технологічні схеми формоутворення профільних гвинтових заготовок і розроблені математичні моделі технологічного процесу їх виготовлення, стійкості та усадки стрічки в процесі навивання дали змогу встановити взаємовплив конструктивних і технологічних параметрів на кінематику процесу, визначити критичні навантаження на спіралі під час їх виготовлення та експлуатації, забезпечити дискретне і неперервне навивання циліндричних та профільних заготовок шириною до 50 мм для всіх випадків навантаження згинним моментом, рекомендованими силою згину в межах 800…1200Н та зусиллям осьового підтискування в межах 900…1000Н.

Дослідженням на основі розробленої математичної моделі технологічного процесу проточування спіралей шнеків заданого кроку встановлено основні закономірності, характер перебігу перехідних процесів ударної взаємодії різця із спіраллю, вплив режимів різання та інших параметрів обточування на зміну сили різання, що уможливило використання розробленої моделі для вибору оптимальних параметрів та режимів різання: глибина різання 1 - 2мм, подача 0,1 - 0,2мм/об, швидкість різання 250 - 300м/хв. При цьому забезпечуються точність за 9 квалітетом і шорсткість обробленої поверхні Ra=1,6 - 2,5мкм з урахуванням особливостей перехідних процесів з ударними навантаженнями.

Розроблено теоретичні та технологічні основи забезпечення дискретного й неперервного формоутворення циліндричних і профільних заготовок з прямих та профільних стрічок холодним щільним навиванням на оправу; технологічні схеми формоутворення циліндричних і профільних гвинтових заготовок з граничними та номінальними конструктивними параметрами методами навивання з кутовою швидкістю до 4 сек^-1 та технологічне устаткування й формувальні ролики, що дозволило одержати різнопрофільні гвинтові заготовки широкої номенклатури.

Вперше розроблені оптимізаційні моделі технологічності конструктивних параметрів заготовок та робочих органів з урахуванням заданих обмежень на конструктивні, технологічні та експлуатаційні параметри, які ґрунтуються на аналізі можливих розв'язків задачі нелінійного програмування, дали змогу визначити конструктивно-технологічні параметри заготовок та деталей залежно від навантажень та умов роботи з одночасним зниженням собівартості виготовлення на 22 - 35%.

Експериментальні дослідження підтвердили можливість стабільного навивання на оправу початкових заготовок з прямих і профільних стрічок товщиною Н = 2 - 6 мм і зведеною висотою b_зв = 12 - 15 з максимальним осьовим зусиллям притискання до 2000Н, що пояснюється раціональною схемою згинання, яке здійснюється поперечною згинальною силою в межах P=1200 - 2300Н з плечем прикладання в зоні деформації lr, але не більше (2 - 6)·Н та покращенням умов деформування матеріалу НЗ. Це сприяє підвищенню поперечної й поздовжньої стійкості, збільшенню ступеня видовження зовнішнього ребра через значні радіальні напруження, які виникають у зоні пластичного деформування.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень процесів формоутворення навивних заготовок вперше розроблено методику розрахунку та проектування технологічних процесів дискретного й неперервного формоутворення циліндричних і профільних заготовок, конструкцій конкурентноздатного устаткування й спорядження з урахуванням технологічних умов формоутворення та забезпечення експлуатаційних вимог, які забезпечують економію матеріально-енергетичних ресурсів на 20-30%.

Отримані наукові результати підтверджені експериментальними даними (максимальне розходження між результатами теоретичного аналізу і експериментів не перевищує 20%). Розроблені ресурсоощадні технологічні процеси формоутворення циліндричних і профільних навивних заготовок. створені конкурентноздатні гвинтові механізми машин різного службового призначення, деталі машин, робочі органи транспортно-технологічних систем, спіральні затискні пристрої металорізальних верстатів, інструменти багатопараметричного вимірювання геометричних розмірів спіралей шнеків для різних типів виробництв з базуванням за зовнішнім і внутрішнім діаметрами пройшли дослідно-промислову апробацію (підтверджено 13 актами та довідками) та впроваджені у виробництво на багатьох підприємствах України з сумарним річним економічним ефектом 171,5 тис.грн.

Основні положення теоретичних і експериментальних досліджень дисертації використовуються у лекційних курсах “Технологічні методи виробництва заготовок деталей машин” та “Технологія машинобудування” у навчальному процесі Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Основні результати роботи опубліковані в таких працях

Механізми з гвинтовими пристроями / Б.М.Гевко, М.Г.Данильченко, Р.М.Рогатинський, М.І.Пилипець, А.В. Матвійчук / Під ред. Б.М.Гевко Львів: Світ, 1993. 208 с.

Пилипець М.І. Дослідження процесу навивання ребристих профілів // Машинознавство. 1998. №9,10. С. 36-39.

Пилипець М.І. Дослідження процесу обточування спіралей шнеків // Сучасне машинобудування. 2000. №3/4. С. 132-138.

Пилипець М.І. Підвищення точності конічних шнеків // Вісник ТДТУ. 2000. Том 5, №1. С. 80-84.

Пилипець М.І. Технологія виготовлення і відновлення деталей сільськогосподарських машин з використанням навивних заготовок // Вісник ДУ “Львівська політехніка” № 412: Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. Львів: Вид-во ДУЛП. 2000. С. 44-51.

Пилипець М.І. Технологія виготовлення поршневих кілець з навивних заготовок // Машинознавство. 2000. №1. С. 52-55.

Пилипець М.І. Теоретичні передумови процесу неперервного навивання спіралей шнеків // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. статей ЛДТУ, Вип. 3. Луцьк: Ред. вид. відділ ЛДТУ. 1997. С. 120-127.

Пилипець М.І. Технологія виготовлення гвинтових стрічок // Сучасні проблеми сільгоспмашинобудування. Зб. наук. пр. Національного аграрного університету, том 1. Київ: Вид.-во НАУ. 1997. С. 15-18.

Пилипець М.І. Технологія виготовлення і відновлення кільцевих виробів сільськогосподарських машин // Сільськогосподар. машини. Зб. наук. статей ЛДТУ, Вип. 3. Луцьк: Ред. -вид. Відділ ЛДТУ. 1997. С. 116-119.

Пилипець М.І. Дослідження стійкості гвинтових заготовок при формоутворенні // Вісник ТДТУ. 2002 Том 7, №1. С. 36-43.

Пилипець М.І.. Використання навитих заготовок в технології виготовлення деталей машин // Машинознавство. 2001. №1. С. 44-49.

Пилипець М.І. Обгрунтування режимів формоутворення спіралей шнеків // Наукові нотатки. Міжвуз. Зб. вип. 9 Луцьк: ЛДТУ. 2001. С. 236-243.

Пилипець М.І., Рогатинський Р.М. Дослідження точності процесу холодного навивання рифів шнекового очисника // Наукові нотатки. Міжвуз. Зб. Вип. 10. Луцьк: ЛДТУ. 1996. С. 109-113.

Пилипець М.І., Радик Д.Л., Данильченко Л.М.. Технологічні основи проектування широкосмугових робочих органів гвинтових механізмів // Вісник ТДТУ. 1998. Том 3, №3. С. 52-55.

Пилипець М.І., Паньків М.Р. Технологія виготовлення дискових шеверів // Зб. наук. пр. НАУ, том 1, Київ: Вид-во НАУ. 1997. С. 34-36.

Пилипець М.І., Гевко Б.М., Данильченко Л.М. Технологія виготовлення спіралей шнеків // Зб. наук. пр. Національного аграрного університету т.1V. Київ: Вид-во НАУ. 1998. С. 237-239.

Пилипець М.І., Вітровий А.О. Розрахунок параметрів спіралей шнеків ГГК // Зб. наук. пр. Національного аграрного університету т.1V. Київ: Вид.-во НАУ. 1998. С. 245-248.

Пилипець М.І., Капаціла Ю.Б. Дослідження напружено-деформівного стану гвинтових робочих органів машин для кормовиробництва // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. статей ЛДТУ, Вип. 4. Луцьк: Ред. -вид. відділ ЛДТУ. 1998. 61-65.

Пилипець М.І., Гевко І.Б., Вітровий А.О. Оптимізація робочого органу з секційних елементів для гнучких гвинтових конвеєрів // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. статей ЛДТУ, Вип. 5. Луцьк: Ред. -вид. відділ ЛДТУ. 1999. С. 207-217.

Пилипець М.І., Данильченко Л.М.. Прогресивні технології виготовлення кільцевих і гвинтових елементів машин // Машинознавство. 2000. №6/7. С. 33-36.

Пилипець М.І., Гевко І.Б., Геник І.С., Комар Р.В. Технологія виготовлення гвинтових деталей різних типорозмірів // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. статей ЛДТУ, Вип. 7. Луцьк: Ред. -вид. відділ ЛДТУ. 2000. С. 120-127.

Пилипець М.І., Васильків В.В. Розрахунок статичної стійкості стрічок гвинтових механізмів // Вісник ТДТУ. 2000. Том 5, №3. С. 43-50.

Пилипець М.І., Васильків В.В. Технологічне забезпечення процесу зміцнення спіралей шнеків // Наукові нотатки. Міжвуз. зб. Вип. 7. Луцьк: ЛДТУ. 2000. С. 179-189.

Пилипець М.І., Гевко І.Б., Пік А.І., Дмитрів Д.В. Оптимізація робочого органу з пружним валом для гнучких гвинтових конвеєрів // Вісник ДУ “Львівська політехніка” №1. Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. Львів: Вид-во ДУЛП. 2001. С. 84-91.

Пилипець М.І., Геник І.С. Обгрунтування конструктивно-технологічних параметрів шнекових затискних пристроїв // Зб. наук. праць Кіровоградського державного технічного університету, вип. 9. Кіровоград. 2001. С. 193-197.

Пилипець М.І., Гевко І.Б., Паньків М.Р., Гурик О.Я. Обгрунтування параметрів гвинтових механізмів на основі НЗ // Сільськогосподарські машини. Зб. наук. статей ЛДТУ, Вип. 8. Луцьк: Ред. -вид. Відділ ЛДТУ. 2001. С. 190-197.

...