Технологічне забезпечення виробництва гвинтових заготовок з листового прокату

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИРОБНИЦТВА ГВИНТОВИХ ЗАГОТОВОК З ЛИСТОВОГО ПРОКАТУ

Васильків Василь Васильович

Тернопіль - 2005

Анотація

Васильків В.В. Технологічне забезпечення виробництва гвинтових заготовок з листового прокату. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2005.

Робота присвячена питанням підвищення ефективності формоутворення гвинтових заготовок деталей машин за рахунок розроблення раціональних технологічних процесів і методики їх проектування. Наведено метод пошуку структури і створення технологічних процесів шляхом структурно-векторного синтезу з використанням сучасного програмного забезпечення. Представлено багатоваріантну структуру формоутворення гвинтових заготовок з початкових листових і стрічкових заготовок. Встановлено аналітичні залежності для визначення характеристичних параметрів процесів розкрою, навивання та калібрування заготовок.

Отримані результати, які пройшли експериментальну перевірку та промислову апробацію, дали змогу запровадити нові конструкції технологічного спорядження, устаткування, технологічні схеми та методи їх розрахунку, що розширили технологічні можливості процесів та зменшили ресурсовитрати.

Ключові слова: гвинтові заготовки, листовий прокат, синтез, формоутворення, технологічний процес, розкрій, навивання, калібрування, проектування.

Аннотация

Васылькив В.В. Технологическое обеспечение производства винтовых заготовок из листового проката. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2005.

Работа посвящена вопросам повышения эффективности формообразования винтовых заготовок деталей машин за счет разработки рациональных технологических процессов производства и методики их проектирования. Разработан метод поиска структуры и cоздания технологических процессов путем структурно-векторного синтеза с использованием современного програмного обеспечения. Предоставлено многовариантную структуру процессов формообразования винтовых заготовок из исходных листовых и полосовых заготовок. Установлены аналитические зависимости для определения характеристических параметров процессов разкроя, навивки и калибрирования заготовок.

Полученные результаты подтверждены экспериментально и прошли промышленную апробацию, позволили внедрить новые конструкции технологической оснастки, оборудование, технологические схемы и методы их расчета, расширили технологические возможности процессов и снизили ресурсозатраты.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованной литературы и приложений.

Первый раздел посвящен анализу приведенных в литературе результатов исследований технологических процессов формообразования винтовых заготовок. Предложена классификация винтовых заготовок, технологических процессов и технологической оснастки для их реализации. Сформулирована цель и задачи исследований.

Во втором разделе разработана методика автоматизированного структурно-векторного синтеза технологических процессов изготовления винтовых заготовок. разной сложности и номенклатуры из исходных листовых и полосовых заготовок. Установлены общие принципы проектирования оборудования для изготовления винтовых заготовок деталей машин, а также смоделированы связи между заготовками и технологическими процесами. Предложено новые технологические процессы и конструкции соответствующей технологической оснастки.

В третьем разделе разработаны теоретические предпосылки технологических процессов изготовления винтовых заготовок из исходных листовых и полосовых заготовок. Созданы уточненные методики расчета энергосиловых характеристик процессов. Выведены аналитические зависимости для проектирования винтовых заготовок, расчета режимов их формообразования для операций навивки, раскроя исходных листовых заготовок, калибровки на шаг плоских спиральных заготовок. Установлено влияние конструкторско-технологических параметров на показатели геометрии винтовых заготовок, а также взаимосвязи кинематических и энергосиловых характеристик, которые позволяют сформулировать требования к конструкции оборудования и оснастки, а также к технологическим процессам. На основании полученных зависимостей произведены расчеты конструкторско-технологических параметров приспособлений и инструментов.

В четвертом разделе разработана программа и методика исследований процессов формообразования винтовых заготовок. Спроектировано и изготовлено оснастку для изготовления винтовых заготовок деталей машин, а также оборудование для исследования процессов формообразования винтовых заготовок. Проведены измерения технологических, силовых и конструктивных параметров винтовых заготовок в лабораторных и производственных условиях.

В пятом разделе предложена методика автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления винтовых заготовок из листового проката, оборудования и оснастки, которая предусматривает по характеристическим параметрам винтовой заготовки выбирать рациональные технологические процессы, проведение расчетов силовых, кинематических и конструктивных параметров заготовок и инструментов с учетом использованой конструкции приспособления и схемы формообразования. Рассмотрены экономические критерии оценки рациональных технологий. Проведены расчеты эффективности от использования технологических процессов, а также общей эффективности результатов научно-технических разработок, представленных в диссертации.

Полученные результаты внедрены в производство на разных предприятиях Украины в виде конструкторских разработок, оснастки, технологических процессов, методик проектировочных расчетов.

Ключевые слова: винтовые заготовки, листовой прокат, синтез, формообразование, технологический процесс, раскрой, навивка, калибровка, проектирование.

Summary

Vasylkiv V.V. Technological provision of screw blank production with rolled sheet. - The manuscript.

Thesis for a Candidate of Science / Engineering degree on speciality 05.02.08 - Mechanical Engineering technology. - Ternopil State Technical University named after Ivan Puluj, Ternopil, 2005.

The thesis deals with problems of effective increase in shaping of machine part of screw blanks due to the development of rational progressive technological process and procedure of design for their manufacturing. The method of the searching and development of technological process by means of the structured-vector synthesis based on the modern software maintenance is offered. The multivariant structures of shaping of screw blanks from leafy and stripy blanks are presented. Analytical dependencies for estimation of characteristic parameters during the process of blanks cutting-out, winding and calibration are determinated.

The results which are based on experimental and industrial data allows to suggest a new designing for tools, machines, technological schemes and their calculation methods, that to widen process capacity and reduce the resource consumption.

Key words: screw blanks, rolled sheet, synthesis, shaping, technological process, cutting-out, winding, calibration, design.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для сучасного вітчизняного і зарубіжного машинобудування характерне розширення номенклатури деталей машин різних класів, в тому числі “тіл обертання” і “гвинтових”. Підтвердженням цього є помітна тенденція до зростання обсягу та номенклатури таких деталей у харчовій та переробній промисловості, сільськогосподарських машинах, технологічному обладнанні тощо. Зазначені деталі виготовляють з гвинтових заготовок (ГЗ), які часто мають складну геометричну форму. Незважаючи на значну кількість наукових праць, які присвячені виробництву ГЗ, рівень технологічного забезпечення виробництва ГЗ в нашій державі та за її межами залишається недостатньо високим, а наукова база для його створення не завжди відповідає сучасним вимогам. Тому вирішення наукового завдання, яке полягає в розробці методології автоматизованого структурно-векторного синтезу технологічних процесів (ТП) виготовлення ГЗ з початкових листових і стрічкових заготовок з використанням математичного і комп'ютерного моделювання та інших найсучасніших методів наукових досліджень є актуальним, доцільним, значущим і перспективним для машинобудівної галузі України та інших держав.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися згідно з координаційними планами Державної науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України за напрямками “Виробництво машин і технологічного обладнання для сільськогосподарської, харчової і переробної промисловостей”, “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” на 2000-2005рр., а також згідно з тематикою наступних дослідницьких робіт ТДТУ імені Івана Пулюя: “Механіко-технологічні основи проектування транспортно-технологічних систем коренезбиральних машин” (номер державної реєстрації 0102U002302); “Розробка та дослідження технологій формоутворення профільних гвинтових елементів технічного обладнання” (номер державної реєстрації 0104U000640). Роль автора у виконанні цих науково-дослідних робіт полягає в розробці теоретичних та технологічних основ процесів формоутворення ГЗ, проведенні теоретичного й експериментального обґрунтування їх конструкторсько-технологічних параметрів, розробці пристроїв для їх виготовлення.

Метою роботи є розширення технологічних можливостей і вироблення науково-практичних рекомендацій для проектування технологічних процесів виготовлення гвинтових заготовок з початкових листових і стрічкових заготовок.

Для досягнення мети були поставлені наступні задачі дослідження:

- з позиції системного підходу проаналізувати технологічні процеси виготовлення ГЗ і окреслити напрямки їх розвитку на основі розширення сфери застосування;

- розробити математичну і комп'ютерні моделі ГЗ;

- розробити методологію автоматизованого структурно-векторного синтезу технологічних процесів виготовлення ГЗ і на її основі провести пошук нових технічних рішень;

- запропонувати багатоваріантну структуру технологічних процесів виготовлення ГЗ різної складності і номенклатури;

- визначити і дослідити функційні конструктивно-технологічні зв'язки між геометричними параметрами ГЗ та початкових листових і стрічкових заготовок, на основі чого розробити методики розрахунку геометричних параметрів таких заготовок та розрахунку раціональних режимів їх формоутворення;

- вивести функційні залежності для встановлення раціональних конструктивних параметрів технологічного спорядження для виготовлення ГЗ;

- розробити алгоритмічно-програмне забезпечення для автоматизованого проектування технологічних процесів виготовлення ГЗ, що передбачає вибір і синтез схем формоутворення та технологічних маршрутів, проектування заготовок, а також розрахунки режимів формоутворення і необхідного технологічного спорядження для їх виробництва.

Об'єкт дослідження - прогресивні технологічні процеси виготовлення різнопрофільних гвинтових заготовок деталей машин.

Предмет дослідження - гвинтові заготовки і технологічне спорядження для їх виробництва.

Методи дослідження. У теоретичних дослідженнях використано фундаментальні засади технології машинобудування і теорії різання, інформатики, теорії пружності і пластичного деформування, теоретичної механіки, інженерної творчості, теорії розрахунків економічної ефективності технічних рішень. В якості інструментальної математичної основи досліджень використано розділи класичної і комп'ютерної математики: математичний аналіз і дискретну математику, векторне числення, алгебру логіки і операцій над множинами, методи візуально-орієнтованого програмування. Апробація технічних можливостей розроблених алгоритмів, програм і методик проводилась методом комп'ютерного моделювання.

Результати експериментальних досліджень одержані з використанням спеціально розробленого устаткування та спорядження і відомих сучасних засобів і методів вимірювань. Статистична обробка експериментальних даних проводилась з використанням прикладних програм для ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше змодельовано зв'язки між конструктивно-технологічними характеристиками ГЗ і технологічними процесами для їх виготовлення на основі відомих та запропонованих технічних рішень і удосконаленої класифікації ГЗ, технологічних процесів і технологічного спорядження для їх виготовлення;

удосконалено математичну і комп'ютерні моделі різнопрофільних ГЗ з урахуванням особливостей їх формоутворення на основі теорії криволінійних поверхонь двох класів: “гвинтові поверхні” і “поверхні обертання”;

розвинуто модель структурно-векторного опису схем формоутворення ГЗ та конструкцій відповідного технологічного спорядження і на її основі вперше запро-поновано методологію їх автоматизованого синтезу;

вперше встановлено функційний математичний зв'язок між геометричними параметрами ГЗ та особливостями операцій розкрою початкових листових заготовок і калібрування на крок одержаних проміжних спіралеподібних заготовок;

уточнено аналітичні залежності між геометричними параметрами навивних заготовок і конструктивно-технологічними факторами їх формоутворення;

уточнено функційні залежності, що виявляють зв'язки між енергосиловими параметрами виготовлення ГЗ, конструктивними параметрами інструменту та особливостями його налагодження; розвинуто теорію розрахунку конструкцій технологічного спорядження з урахуванням особливостей технологічних процесів.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено технологічні процеси формоутворення ГЗ різної складності і номенклатури з початкових листових та стрічкових заготовок із комплектами конструкторської документації для їх реалізації; технічна новизна розробки підтверджена 4 деклараційними патентами України на винаходи;

- розроблено методику структурно-векторного синтезу технологічних процесів виготовлення ГЗ, методики розрахунку геометричних характеристик таких заготовок, режимів їх формоутворення та параметрів конструкцій технологічного спорядження.

- створено алгоритмічно-програмне забезпечення для автоматизованого проектування технологічних процесів виготовлення ГЗ, яке передбачає вибір або синтез схем формоутворення і технологічних маршрутів, проектування заготовок, розрахунок режимів їх формоутворення та проектування технологічного спорядження для їх виробництва.

Розроблені технологічні процеси виготовлення ГЗ з початкових листових заготовок знайшли застосування у виробництві спіралей шнеків гвинтових живильників-дозаторів на підприємстві “Універст” (м. Тернопіль), гвинтових конвеєрів і гвинтових змішувачів на підприємствах ВАТ “ТеКЗ” (м. Тернопіль), ВАТ “Ковельсільмаш” (м. Ковель), а також окремих приватних підприємствах Тернопільської області. Технологічні процеси виготовлення ГЗ з початкових стрічкових заготовок, на основі використання технологічного спорядження для реалізації операцій навивання [11] і калібрування на крок [9], впроваджені на підприємствах ВАТ “ТеКЗ” і ВАТ “Ковельсільмаш” для виготовлення робочих органів гвинтових конвеєрів.

Створене алгоритмічно-програмне забезпечення передано в СКБ “ТеКЗ” і ВАТ “Ковельсільмаш”.

Окремі результати досліджень заплановано використовувати у навчальному процесі на кафедрі “Комп'ютерні технології в машинобудуванні” ТДТУ імені Івана Пулюя.

Наведені у дисертаційній роботі математичні моделі, методики та програмно реалізовані алгоритми можуть бути впроваджені на підприємствах і установах різного галузевого напрямку, а також в науково-дослідних та проектних організаціях, як у створенні та проектуванні технічних об'єктів, що містять гвинтові профілі, так і під час розробки й використання технологічних процесів виготовлення деталей машин з ГЗ.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором безпосередньо розроблені теоретичні і технологічні основи процесів формоутворення гвинтових заготовок з початкових листових [2, 4, 5] і стрічкових [1, 6, 7] заготовок, проведено теоретичне й експериментальне обґрунтування конструкторсько-технологічних параметрів таких заготовок [2, 4, 5, 12], опрацьовано результати досліджень [12], розроблено конструкції пристроїв [1, 6], запропоновано математичну і комп'ютерні моделі гвинтових заготовок [3], розроблено алгоритмічно-програмне забезпечення для автоматизованого проектування технологічних процесів [13]. Особистий внесок здобувача у працях [8 - 11] рівноцінний з внеском інших співавторів.

Основні результати роботи отримано автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались й обговорювались на наукових конференціях ТДТУ імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 1999-2004рр.), на науково-практичній конференції “Проблеми винахідництва та раціоналізаторства в Україні” (м. Львів, 2001р.), на 6-й міжнародній науково-технічній конференції “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве” (м. Харків, 2002р.), на 1-й міжнародній науково-практичній конференції “Машинобудування та металообробка-2003” (м. Кіровоград, 2003р.), на 3-й міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2004р.), на Міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Прогрессивные направления развития машино-приборо-строительных отраслей и транспорта” (м. Севастополь, 2004 р.). В повному обсязі робота доповідалась й отримала позитивні відгуки на розширеному засіданні кафедри “Комп'ютерні технології в машинобудуванні” (17.06.2004 р., м. Тернопіль) і на науково-технічному семінарі ТДТУ імені Івана Пулюя (28.08.2004 р., м. Тернопіль).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 2 статтях у наукових журналах, в 5 статтях у збірниках наукових праць, в 4 матеріалах і тезах наукових, науково-технічних і науково-практичних конференцій та в 4 деклараційних патентах України на винаходи. Кількість публікацій у наукових виданнях, які затверджені ВАК України як фахові - 6. Загальна кількість основних публікацій - 15.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'ятьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації - 263 сторінки, в тому числі 46 рисунків, 18 таблиць, список використаних літературних джерел з 186 найменувань та додатки на 74 сторінках. Обсяг основного тексту дисертації - 139 сторінок.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність розширення технологічних можливостей виробництва ГЗ деталей машин та розробки ефективних методів проектування технологічних процесів їх формоутворення. Сформульовано мету та задачі дослідження, окреслено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі “Аналіз стану, перспектив розвитку та результатів досліджень технологічних процесів виробництва гвинтових заготовок” проведено аналіз та узагальнення відомих наукових напрацювань і проблемних питань у виробництві ГЗ, виявлено ряд важливих аргументів, що підтвердили необхідність проведення досліджень. Згадані чинники визначили мету наукових пошуків. Обґрунтовано доцільність та перспективність використання деталей машин, одержаних з ГЗ. Запропоновано багатоваріантну структуру класифікації конструктивних та технологічних особливостей виконання гвинтових профілів, де окремо виділено 14 основних технологічних маршрутів, для яких встановлено величини показників технологічності виробництва ГЗ та проаналізовано стан винахідницької зацікавленості ними на основі аналізу патентних джерел. Проведено порівняльний аналіз технологічних процесів, виділено найбільш перспективні та визначено узагальнений технологічний маршрут для реалізації концепції синтезованих технологій. Виявлено ряд технічних протиріч, пов'язаних з особливостями реалізації процесів формоутворення таких заготовок.

Вагомий вклад у дослідження ТП виготовлення ГЗ внесли вчені А.З. Журавлев, В.А. Єгоров, А.Е. Церна, С.Е. Рокотян, В.Е. Гурвіч, Д.Я. Шифрін, C.Ф. Пилипака, Б.М. Гевко, М.І. Пилипець, Р.М.Рогатинський, Л.М. Данильченко та ін. Синтезом і обґрунтуванням технічних рішень у машинобудуванні присвячені праці А.І. Половінкіна, А.В. Андрейчікова, С.Г. Нагорняка, Ю.М. Кузнєцова, Б.М. Кіндрацького, В.Т. Портмана, Ю.Д. Петрини, І.В. Луціва, К.Н. Наянзина та ін. На основі системного підходу проаналізовано питання синтезу ТП, проектування та математичного моделювання ГЗ і технологічного спорядження, розрахунку режимів формоутворення. Проведено аналіз методів оцінки ефективності ТП на різних стадіях їх розробки, відомих результатів експериментальних досліджень, програмного забезпечення сучасних САПР у машинобудуванні. Відзначено, що теорію синтезу ТП виготовлення ГЗ на основі застосування морфологічної таблиці компонентів навивання вперше розглянуто у працях проф. М.І. Пилипця. На основі такого аналізу визначено окремі наукові методи і напрямки як вихідні для подальших досліджень.

У другому розділі “Структурно-векторний синтез технологій виготовлення гвинтових заготовок” описано структуру та результати реалізації розробленої методології синтезу. На основі використання теорії криволінійних поверхонь класу гвинтових і класу обертання та урахуванням особливостей кінематики формоутворення ГЗ, згідно розрахункової схеми рис. 1, виведено узагальнену функцію опису їх геометрії:

, (1)

де - функційні радіус-вктори багатоланника;

- незалежна змінна відповідного i-го функційного радіус-вектора; ; ,

- кутові характеристики профілю;

; ;

- кутові швидкості обертання відповідно площини N (радіус-вектора ) відносно осі OZ та радіус-вектора відносно осі ;

, - параметри гвинтової лінії (для =0, =); - періодичні функції; - параметр амплітуди; - орти осей координат; - радіус-вектор початку координат.

На основі наведеної залежності розроблено математичну і комп'ютерні моделі ГЗ, що покладені в основу синтезу для генерування нових технічних рішень. Викладено рекомендації для вирішення основних технічних протиріч розробки ТП. Описано модель структурно-векторного опису схем формоутворення, технологічних маршрутів і конструкцій відповідного технологічного спорядження, з використанням тверджень концепції синтезованих технологій, методів морфологічного аналізу і формалізованого опису, шляхом конвертації характеристичних закономірностей об'єктів синтезу в кодовану алгебро-логічну форму і одержання структурних формул. На цій основі проаналізовано вказані формули у розробленій системі символьних координат. Здійснено генерування альтернатив і комбінування елементів формул, створення баз даних, а також оцінювання їх сумісності та відповідності вимогам вирішення технічних протиріч. Проведено послідовну вибірку створених структурних формул та їх розкодування з графічною візуалізацією одержаних результатів у формі 3D-зображень на ЕОМ.

У третьому розділі “Теоретичні дослідження технологічних процесів виробництва гвинтових заготовок” встановлено функційні конструктивно-технологічні зв'язки між параметрами ГЗ і початкових листових та стрічкових заготовок, що використані для їх виготовлення, а також функційні залежності розрахунку раціональних конструктивних параметрів технологічного спорядження.

Розрахунок характеристик розкрою початкових листових заготовок проведено з урахуванням функційних параметрів спіральних кривих різної конфігурації, що визначають геометрію та дозволяють керувати конструктив-ними параметрами ГЗ. Встановлено зв'язок між параметрами геометрії ГЗ та параметрами розкрою, що виражений функційними коефіцієнтами , зміст яких полягає у конвертації кутових параметрів функції опису спіралі у відповідні кутові параметри гвинтової лінії:

, , (2)

де - граничні значення кутів, що визначають діапазон зміни радіус-вектора аналітичного опису геометрії проміжної спіралеподібної заготовки з урахуванням їх відповідності зовнішньому і внутрішньому краям ГЗ; m - кількість дискретних ділянок поділу кута .

Величини вказаних коефіцієнтів, у випадку розкрою початкової заготовки за кривою форми спіралі Архімеда (рис. 4) та наступного калібрування на крок з метою одержання ГЗ (рис.5), що характеризується постійним кутом нахилу конічної гвинтової лінії за зовнішнім краєм і постійною шириною витка В, виглядають так:

;, (3)

де - повна довжина конуса;

- величина дуги відповідного центрального кута розбиття спіралі Архімеда на дискретні ділянки;

- максимальний радіус основи конуса; ; - кут при вершині конуса; - модуль радіус-вектора опису зовнішнього краю ГЗ у площині XOY.

Із урахуванням таких коефіцієнтів одержано функцію опису геометрії ГЗ:

, (4)

де - коефіцієнти полінома;

- модуль радіус-вектора;

- ширина витка ГЗ.

У роботі запропоновано багатоваріантну структуру виразів опису геометрії ГЗ для різних випадків їх конструктивного виконання з урахуванням функційних залежностей кривих розкрою і профілю початкових листових заготовок, що дозволило:

а) змоделювати на ЕОМ й оцінити їх конфігурацію, а також здійснювати вибір відповідного ТП на етапі проектування;

б) здійснювати розв'язок прямої (“гвинтова заготовка-функція розкрою”) і зворотньої (“функція розкрою - гвинтова заготовка”) задач розробки операції розкрою.

Встановлено й проаналізовано варіанти кінематики виконавчих рухів процесу калібрування на крок проміжних спіралеподібних заготовок для виготовлення циліндричних і конічних ГЗ. Зокрема, для формоутворення перших розглянуто варіанти: 1) ; ; 2) ;; 3); . З метою відносної оцінки їх ефективності виведено коефіцієнти (, - позначення технологічних схем) відношення продуктивностей формоутворення, що дозволило визначити раціональні технології відносно діапазону зміни кутів нахилу гвинтової лінії. Так, для першого і третього наведених варіантів: , де , - граничні кути нахилу гвинтової лінії за довжиною заготовки.

Виведено аналітичні залежності для визначення силових факторів процесу калібрування на крок проміжних спіралеподібних заготовок різної геометричної форми за технологічними схемами загального деформування відносно крайніх кінців (вільне розтягування) тапослідовного деформування секційних ділянок. Так, величину зусилля калібрування таких заготовок форми плоскої спіралі Архімеда вільним розтягуванням без урахування деформацій скручування визначено так:

, (5)

де - товщина початкової заготовки;

, і , - апліката і кутовий параметр точок розміщення відповідно інструменту та крайнього фіксованого контакту ГЗ з опорою, =const, =const, =const, [0; ] ( - максимальна осьова деформація заготовки); а - параметр спіралі; і - модулі відповідно зсуву і пружності другого роду.

Одержано аналітичні залежності для розрахунку режимів калібрування проміжних спіралеподібних заготовок та наведено рекомендації для проектування технологічного спорядження. Функційний зв'язок між геометричними параметрами ГЗ і початкових стрічкових заготовок виявлено у величині коефіцієнту усадки стрічки, що характеризує співвідношення між шириною початкової заготовки та шириною витка: =. Доведено, що визначається усад-ками стрічки на оправі і ролику та зміщенням нейтрального шару в процесі навивання:

, (6)

де - коефіцієнт, який враховує особливості ТП;

і - коефіцієнти усадки стрічки відповідно на інструменті та внаслідок зміщення нейтральних шарів.

Розроблено програмне забезпечення для розрахунку величини усадки. Для випадку використання заготовок із сталі рекомендовано використання залежності:

, (7)

де , , , , , , - коефіцієнти, що ураховують особливості формоутворення ГЗ;

- радіус оправи;

.

Виведено залежності розрахунку енергосилових параметрів виготовлення ГЗ, у яких ураховано широкий ряд конструктивних параметрів інструменту та особливості його налагодження, а також моментів тертя підтискних елементів зі стрічкою і оправою. Це дозволило встановити причини нерівномірності геометричних параметрів ГЗ, як наслідку різниці величини плеча прикладання зусилля згину стрічки на початковому етапі формоутворення та в усталеному режимі, і визначити величину коефіцієнта необхідного радіального підтискування:

, (8)

де - коефіцієнт зведення функції нормального зусилля у спряженні ролика з віссю відносно величини зусилля згину стрічки;

- зусилля згину стрічки у встановленому режимі процесу навивання;

- кут нахилу вектора зусилля згину відносно горизонтальної осі;

- зусилля попереднього радіального підтискування.

Дослідження дозволило виявити умови зменшення зусиль формоутворення та підвищення рівномірності усадки стрічки. Одержані залежності використані для розрахунків конструкцій споряд-ження та режимів формоутворення навивних заготовок.

Виведено функційні залежності для розрахунку конструктивних параметрів технологічного спорядження із умов забезпечення необхідної жорсткості спряжень сталевих елементів конструкцій і дійсності гіпотези Вінклера з урахуванням енергосилових факторів формоутворення ГЗ та використання комп'ютерної математики. Довжина L, а також діаметр D торцевого спряження ролика інструменту з віссю, на якій він розміщений, визначено так:

(9)

; ;

,

де , , , a_m-1, b_m-1, , , - коефіцієнти, що враховують особливості процесу формоутворення ГЗ;

- діаметр спряження; ,

- відповідно нижнє і верхнє відхилення розміру відповідно валу і отвору у спряженні;

- сума допусків на розміри отвору і вала;

Z_z- величина допустимого зношення спряження;

- допустимий кут перекосу;

- варіативний показник номера кореня анонімної функції,

N; F і М - функції сили і моменту в зоні краю спряження що визначені на основі урахування енергосилових параметрів формоутворення ГЗ;

- сума допусків перпендикулярності на діаметрі D спряження;

- напруження попереднього затягування торцевого спряження.

На основі проведених досліджень виявлено, що величина змінюється в широких межах залежно від енергосилових характеристик ТП, а умова забезпечення жорсткості з'єднань особливо актуальна для незначних діаметрів спряжень.

Одержано аналітичні залежності для розрахунку конструктивних параметрів технологічного спорядження для технологій, що реалізують дискретне і неперервне навивання різними інструментами, а також для операцій калібрування. Вироблено комплекс рекомендацій для проектування такого спорядження.

У четвертому розділі “Дослідження обґрунтованості та адекватності наукових результатів” на основі запропонованої програми та методики досліджень, перевірено та підтверджено основні теоретичні викладки, отримано додаткові дані про особливості синтезованих ТП. Згідно з програмою досліджень:

а) спроектовано, виготовлено, випробувано і впроваджено у виробництво технологічне спорядження для виготовлення різнопрофільних ГЗ з початкових стрічкових й листових заготовок; виготовлено технологічне устаткування для його досліджень;

б) експериментально досліджено: функційні зв'язки між геометричними параметрами ГЗ та початкових листових і стрічкових заготовок; зусилля калібрування на крок проміжних спіралеподібних заготовок; зусилля формоутворення ГЗ з початкових стрічкових заготовок;

в) на основі комп'ютерного моделювання, результатів експериментальних досліджень та порівняльного аналізу доведено адекватність теоретичних викладок.

Шляхом використання результатів замірів заготовок з нанесеними координатними сітками і комп'ютерного моделювання проведено перевірку теоретичних залежностей для проектування ГЗ з початкових листових заготовок. Визначено умови забезпечення точності ГЗ.

Підтверджено розрахункові залежності визначення зусиль калібрування на крок проміжних спіралеподібних заготовок (1 - =30 мм, =1мм, Cталь 30; 2 - проміжна спіралеподібна заготовка, що вирізана із заготовки типу “днищ” радіусом кривини =240 мм, =50 мм, =1 мм, 20кп; 3 - =50 мм, =1 мм, матеріал - 20кп; 4 - =800 мм, =100 мм, =1,5 мм, 40Х13). Встановлено, що зусилля калібрування зростають із збільшенням кривини спіралі за внутрішнім і зовнішнім її краями та кривиною бічної поверхні витка. Відзначено перспективність таких ГЗ для виконання пружних елементів з нелінійними характеристиками.

Результатами експериментів підтверджено встановлені аналітичні залежності для визначення енергосилових характеристик формоутворення навивних заготовок. Доведено, що із збільшенням зусилля попереднього радіального підтискування заготовки (1-В=12 мм, =10 мм; 2-В =15мм, =15 мм; 3 - В=15мм, =10 мм), спостерігається стабілізація процесу внаслідок стабілізації .

Замірами геометричних параметрів локальних значень поперечних перерізів ГЗ і відповідних ділянок початкових заготовок визначено величину усадки (1-; 2 - ; 3 -). На основі цього зроблено висновок, що більші значення усадки відповідають більшим значенням ширини стрічки та меншим значенням відносного радіуса згину , що пояснюється зміцненням металу внаслідок збільшення ступеня деформації.

Обґрунтовано застосування операцій зміцнення на основі результатів досліджень відмінностей фізико-механічних властивостей периферії витків ГЗ.

Проведено перевірку достовірності отриманих результатів, шляхом порівняльної оцінки їх відповідності експериментальним та теоретичним даним, що одержані іншими дослідниками (Б.М. Гевком, Л.М. Данильченко, В.П. Романовським, І.С. Івановим та ін.). За результатами проведених експериментальних досліджень виведено регресійні залежності.

У п'ятому розділі “Алгоритмічно-програмне забезпечення для проектування технологічних процесів виготовлення гвинтових заготовок” подано структуру функціонування створених програмних модулів на основі розроблених рекомендацій та посилань на аналітичні залежності дисертаційної праці, що дозволило спростити багатоваріантну задачу проектування ТП. Деталізовано зміст алгоритмізованих розрахунків, що використані для практичної реалізації розроблених ТП.

Підтверджено ефективність результатів проведених досліджень на основі порівняльного експертного аналізу ефективності ТП виготовлення ГЗ, розрахунку економічного ефекту на основі урахування різниці витрат відносно показників прибутків і технологічної собівартості від виробництва гвинтового живильника з робочим органом, виготовленим за розробленим ТП для умови рівності повних капіталовкладень виробника для базового та нового виробу, а також використанням методики загального визначення економічної ефективності науково-технічних розробок, що затверджена Міністерством економіки та з питань європейської інтеграції та Міністерством фінансів України, № 218/446 від 26.09.01.

Висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-практичної задачі, що виявляється в розробці методології автоматизованого структурно-векторного синтезу технологічних процесів виготовлення гвинтових заготовок з початкових листових і стрічкових заготовок за рахунок удосконалення математичних і створення комп'ютерних моделей гвинтових заготовок, моделювання й дослідження зв'язків між технологічними процесами та конструктивно-технологічними характеристиками цих заготовок, розробки та реалізації багатоваріантної структури технологічних процесів виготовлення ГЗ різної складності і широкої номенклатури та типорозмірів, що дозволяє розширити технологічні можливості процесу виготовлення ГЗ і в кінцевому розумінні забезпечує зменшення матеріальних вкладень у виробництво, спрощення адаптації виробництва до можливостей комп'ютерних технологій, розширення номенклатури й діапазону геометричних параметрів ГЗ, а також зменшення матеріаломісткості і працемісткості технологічних процесів виготовлення ГЗ.

1. На основі удосконаленої класифікації гвинтових заготовок, технологічних процесів і технологічного спорядження для їх реалізації, запропонованої математичної і створеної комп'ютерної моделі ГЗ змодельовано зв'язки між розглянутими технологічними процесами та конструктивно-технологічними характеристиками заготовок, завдяки чому проведено порівняння технологічних маршрутів, оцінку стану та перспектив їх вдосконалення, конкретизовано межі їх раціонального використання, що забезпечило можливість адекватного вибору раціональних технічних рішень і дозволило зменшити витрати виробництва в 1,1-1,8 рази.

2. Розроблена методологія автоматизованого структурно-векторного синтезу технологічних процесів виготовлення ГЗ дозволила усунути фактор суб'єктивності та розширити дослідницькі можливості проектантів під час вдосконалення і пошуку нових технічних рішень, а також синтезувати перспективні технологічні маршрути та конструкції технологічного спорядження для їх реалізації, технічна новизна яких захищена 6 деклараційними патентами України на винаходи.

3. Розроблено та реалізовано багатоваріантну структуру технологічних процесів виготовлення різної складності, широкої номенклатури та типорозмірів ГЗ, що характеризуються товщиною до 6,3 мм для =500Н/мм², мінімальною шириною витків, рівною потроєній товщині заготовки, мінімальним внутрішнім діаметром 30мм, кутом нахилу гвинтової лінії в межах 4 - 85?, коефіцієнтом нерівномірності витягування стрічки 1,1 - 5,4, питомою висотою 5-120, коефіцієнтом кроку витка 0,1-0,75, коефіцієнтом технологічної складності виготовлення 0,1 - 0,65, коефіцієнтом використання матеріалу 75-95%. Рівень технологічності за матеріаломісткісткістю та відносна стійкість профілю ГЗ, що розраховані відносно штампозварних заготовок, складає відповідно 0,25 - 1,0 і 1,0 - 3,8.

4. Виведено аналітичні залежності для визначення геометричних параметрів ГЗ на основі урахування конструктивно-технологічних факторів їх формоутворення. Для навивних заготовок вони виражені у розрахунках величини коефіцієнту усадки стрічки . Визначено, що внаслідок навивання початкових стрічкових заготовок шириною 12 - 30мм, товщиною 2 - 3мм зі сталей Ст3, 08кп на оправи радіусами 18 - 27 мм змінюється в межах 0,929 - 0,988. Для ГЗ, одержаних з початкових листових заготовок, вони виражені у функційних параметрах кривих розкрою і кінематики калібрування на крок. Це дозволило керувати величинами конструктивних параметрів ГЗ, розробити методику їх проектування, а також визначити раціональні режими формоутворення таких заготовок.

5. Виведено уточнені залежності для розрахунку енергосилових параметрів виготовлення ГЗ, у яких враховано широкий ряд конструктивних параметрів інструменту та особливості його налагодження, на основі чого сформульовано комплекс заходів, що дозволили знизити момент навивання стрічкових заготовок на 8 - 12 %. З метою стабілізації параметрів навивних заготовок обґрунтовано необхідність забезпечення зусилля величиною не менше 500 Н попереднього радіального підтиску заготовки. За результатами експериментальних досліджень зусиль калібрування на крок проміжних спіралеподібних заготовок доведено перспективність використання ГЗ для виготовлення пружних елементів з нелінійними характеристиками.

6. Доведено, що продуктивність операції калібрування на крок залежить від діапазону зміни кута нахилу гвинтової лінії за довжиною заготовки. Встановлено, що для значень зміни =4 - 38? продуктивнішою є схема, яка реалізується змінною величиною подачі і постійною швидкістю обертання заготовки. Для =55 - 85? умова зворотна до попередньої, що дозволило використовувати технологічні процеси з максимальною продуктивністю.

7. Удосконалена методика розрахунку технологічного спорядження, на основі урахування конструктивно-технологічних показників формоутворення ГЗ, дозволила конкретизувати значення необхідних параметрів в сторону зменшення габаритних розмірів, а також матеріаломісткості конструкцій до 26%. Визначено, що для технології дискретного навивання інструментом з перпендикулярними осями інструменту і оправи для спряження Ш40Н7/f7 ролика з віссю і зусилля згину стрічки =1400 Н, величини загального діаметра , довжини L ролика та діаметра торцевого спряження ролика з опорою відповідно рівні 120 мм, 51,5 мм, 72,6 мм. Для інструментів з паралельним розміщенням осей інструменту та оправи із не більше 800Н і зусиллях радіального 350Н та осьового 150 Н підтисків =196 мм, L = 43,2 мм.

8. Створено алгоритмічно-програмне забезпечення для автоматизованого проектування технологічних процесів виготовлення ГЗ, яке передбачає вибір та синтез схем формоутворення і технологічних маршрутів, проектування заготовок, розрахунок режимів їх формоутворення та проектування технологічного спорядження для їх виробництва, що дозволило скоротити терміни проектування на 60%, а працемісткість проектних робіт - на 40%. Завдяки використанню розрахунково-аналітичних методів здешевлено вартість виготовлення ГЗ на 5 - 30%.

9. Отримані наукові результати та ефективність розроблених технологічних процесів і конструкцій технологічного спорядження для їх реалізації підтверджено експериментальними даними (максимальне розходження між результатами теоретичних викладок і експериментів не перевищує 21%). Розробки пройшли дослідно-промислову апробацію та знайшли застосування на підприємствах ВАТ “ТеКЗ” (м. Тернопіль), ВАТ “Ковельсільмаш” (м. Ковель), приватному підприємстві “Універст” (м. Тернопіль) і окремих приватних підприємствах Тернопільської області. Річний економічний ефект становить 5514,7 грн. Для ставки дисконтування не менше 0,16 впровадження викладених розробок характеризуються очікуваним терміном окупності не більше 0,7 року з очікуваним чистим дисконтованим прибутком не менше 75,72 тис. грн. Окремі результати досліджень заплановано використовувати у навчальному процесі на кафедрі “Комп'ютерні технології в машинобудуванні” ТДТУ імені Івана Пулюя.

гвинтовий заготовка листовий геометричний

Список основних праць, опублікованих автором за темою дисертації

Васильків В.В. Технологічне спорядження для виготовлення навивних заготовок // Наукові нотатки. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2002. - Вип. 10. - С. 59 - 64.

Васильків В.В. Основи проектування гвинтових заготовок циліндричної форми, виготовлених з листового прокату // Наукові нотатки. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ.- 2004. - Вип. 14. - С. 7 - 11.

Васильків В.В. Пилипець М.І., Радик Д.Л. Опис геометрії різнопрофільних гвинтових заготовок // Вісник Тернопільського державного технічного університету.- 2002. - Т.7, число 2. - С. 75 - 83.

Васильків В.В., Радик Д.Л., Гевко І.Б. Технологічні та конструктивні особливості виготовлення гвинтових заготовок з листового прокату // Наукові нотатки. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ. - 2004. - Вип. 14. - С. 12 - 18.

Васильків В.В., Радик Д.Л., Лясота О.М. Основи проектування гвинтових заготовок конічної форми з початкових плоских листових заготовок // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2004. - Т. 9, число 3. - С. 66 - 72.

Пилипець М.І., Васильків В.В. Багатоваріантна структура верстато-інструментального спорядження для формоутворення навивних і кільцевих заготовок деталей машин // Вісник НТУ “ХПІ”. - Харків: Вид. відділ НТУ “ХПІ”. - 2003. - № 16. - С. 94 - 103.

Пилипець М.І., Васильків В.В., Лясота О.М. До питання теоретичного дослідження енергосилових параметрів процесів формоутворення навивних заготовок // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства Мінагрополітики України. - Харків: Вид. відділ ХДТУСГ. - 2003. - Вип. 20. - С. 370 - 375.

Пат. 45677 А Україна, МКВ В21D11/06. Спосіб виготовлення різно-профільних спіралей шнеків / В.В. Васильків, Д.Л. Радик. - № 2001063708; Заявл. 1.06.2001; Опубл. 15.04.2002; Бюл. № 4. - 2 с.

Пат. 51098 А Україна, МКВ В21D11/06. Пристрій для навивання та одночасного калібрування на крок широкосмугових спіралей шнеків / Д.Л. Радик, В.В. Васильків, М.І. Пилипець. - № 2001129239; Заявл. 29.12.2001; Опубл. 15.11.2002; Бюл. № 11. - 8 с.

Пат. 63415 А Україна, МКВ В21D11/06. Пристрій для навивання смуги на ребро та одночасного калібрування пакета витків / М.І. Пилипець, В.В. Васильків, Д.Л. Радик, І.Б.Гевко.- №2003043405; Заявл. 15.04.2003; Опубл. 15.01.2004; Бюл. №1. - 4 с.

Пилипець М.І., Васильків В.В. Особливості оцінювання технологічності процесів формоутворення гвинтових заготовок // Тези доп. 6-ї міжнар. наук.-техн. конф. “Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве”. - Харьков: ХНПК “ФЭД”. - 2002. - С. 110 - 112.

Пилипець М.І., Васильків В.В. Автоматизоване проектування процесів формоутворення навивних заготовок деталей машин // Тези доп. 1-ї міжнар. наук.-прак. конф. “Машинобудування та металообробка - 2003”. - Кіровоград: КДТУ. - 2003. - С. 184 -185.

Васильків В.В. Структура автоматизованого пошукового проектування технологічних процесів виготовлення гвинтових заготовок деталей машин // Матер. Міжнар. наук.-техн. конф. студ., асп. та молодих вчених “Прогрессивные направления развития машино-приборо-строительных отраслей и транспорта”. - Том 1. - Севастополь: СевНТУ. - 2004. - С. 12 - 14.

Васильків В.В. Основні елементи розрахунку параметрів циліндричних спряжень елементів конструкцій верстато-інструментального спорядження // Матер. 8-ї наук. конф. ТДТУ імені ІванаПулюя. - Тернопіль: ТДТУ імені Івана Пулюя. - 2004. - С. 38.

Размещено на Allbest.ru

...