доктор технічних наук, професор Карпусь Владислав Євгенович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри “Технологія машинобудування та металорізальні верстати”; кандидат технічних наук

Стойко Ігор Іванович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, доцент кафедри “менеджмент підприємницької діяльності”.

Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування Міністерства мінпромполітики України, м. Харків.

Захист відбудеться “4” липня 2006 р. о 14⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.03 Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

Автореферат розісланий “__” червня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої радиДанильченко Л.М

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У покращенні матеріально-технічної бази машинобудування значна роль відводиться створенню передових високоефективних ресурсоощадних технологічних процесів виготовлення деталей машин із стабільними техніко-експлуатаційними показниками, що забезпечить підвищення ефективності виробництва шляхом зниження матеріаломісткості виробів, енергозатрат та собівартості.

В сучасних конструкціях машин використання гвинтових пристроїв, їх номенклатура та конструктивне виконання відповідно до призначення, галузі застосування та специфіки експлуатації постійно зростає, питома вага яких складає 40-45%. Важливим фактором, який впливає на показники якості, надійності та довговічності машин із гвинтовими конструкціями є технологія виготовлення основних робочих органів - гвинтових деталей.

Жорсткі гвинтові елементи циліндричної форми та технології їх виготовлення вивчені достатньо на відміну від гвинтових деталей з нежорстких навивних заготовок. На даний час в Україні використання механізмів з нежорсткими профільними робочими органами обмежене внаслідок неможливості застосування відомих методів формоутворення гвинтових деталей до вимог інженерної практики створення нежорстких гвинтових деталей високої якості.

Загалом, технічні та експлуатаційні вимоги до машин з гвинтовими пристроями свідчать про необхідність вдосконалення конструктивних параметрів робочих органів та технології їх виготовлення.

Тому вирішення науково-прикладної задачі, яка полягає в розробленні технологічних процесів та технологічного забезпечення виготовлення нежорстких гвинтових деталей (НГД) машин високої якості є актуальною, доцільною та перспективною для машинобудівної галузі з огляду на необхідність впровадження конкурентноздатних технологій з високими техніко-економічними показниками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя відповідно до наукової тематики кафедри “Технологія машинобудування” та координаційного плану Комітету з питань науки і техніки України (розділ “Машинобудування”, поз.43 “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні на 2000-2005 роки”), за якими виконувалися держбюджетні теми; номери державної реєстрації 0102U002302, 0104U000640 №0199U003997.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення показників якості та ефективності виготовлення деталей машин з нежорстких гвинтових заготовок (НГЗ) на основі розроблення ресурсоощадної технології їх формоутворення.

Для досягнення мети в роботі поставлені та розв'язуються такі задачі:

провести аналіз існуючих технологічних процесів виготовлення НГЗ і запропонувати прогресивні технологічні процеси їх виготовлення;

розробити динамічну модель процесу розточування внутрішнього діаметра НГЗ з дослідженням технологічних параметрів;

розробити математичну модель процесу формоутворення НГЗ з профілюванням зовнішньої крайки та на її основі розробити прогресивні технологічні процеси їх виготовлення;

розробити технологічний процес виготовлення гвинтових гайок;

спроектувати та виготовити функціонально здатні зразки технологічного спорядження, різальний та вимірювальний інструмент;

експериментально дослідити вплив конструктивних параметрів та процесу формоутворення й розточування НГЗ на якісні показники виготовлення гвинтових деталей машин з навивних заготовок;

розробити методику інженерного проектування основних параметрів технологічного процесу виготовлення гвинтових деталей з НГЗ.

Об'єкт дослідження - прогресивні технологічні процеси виготовлення нежорстких гвинтових заготовок і деталей на їх основі.

Предмет дослідження - технологічне забезпечення процесів формоутворення гвинтових деталей машин з нежорстких гвинтових заготовок.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтувались на наукових принципах загальної технології машинобудування, основах теорії різання матеріалів, пластичного деформування, пружності, а також математичному апараті аналізу й синтезу процесів формоутворення, аналітичної механіки та візеопластичності.

Експериментальні дослідження параметрів та перевірка теоретичних викладок проводились з використанням методу тензометрії, теорії подібності й моделювання, планування експерименту, оброблення результатів досліджень, методів математичної статистики, а також запропонованих у роботі методик визначення технологічних, силових і конструктивних параметрів оброблення витих деталей.

Наукова новизна одержаних результатів. Вирішено актуальну науково-технічну задачу моделювання зв'язків елементів структури НГЗ, технологічних операцій та спорядження для їх формоутворення, визначено механізм взаємозв'язків конструкторсько-технологічних параметрів токарної операції розточування та розробленого спорядження з показниками якості формоутворення поверхонь оброблюваних деталей.

Для цього вперше:

уточнено математичну модель технологічного процесу формоутворення НГЗ з профілюванням зовнішньої крайки, визначено зусилля деформації в зоні формоутворення та вплив на них площі поверхні контакту формувального ролика з стрічкою, що навивається;

розроблено динамічну модель процесу розточування НГЗ, яка дозволила визначити раціональні силові характеристики процесу та конструктивні параметри технологічного оснащення;

удосконалено механіко-математичну модель технологічного процесу оброблення нежорстких гвинтових заготовок з врахуванням впливу пружних деформацій на режими різання;

уточнено аналітичні залежності геометричних параметрів НГЗ і конструктивно-технологічних факторів їх формоутворення.

Практичне значення одержаних результатів. Найважливіше практичне значення одержаних результатів роботи полягає в удосконаленні технології формоутворення НГЗ підвищеної продуктивності та якості оброблення, зменшенні їх матеріаломісткості, собівартості та енергомісткості процесів виготовлення. Запропоновано практичні рекомендації щодо створення нових методів формоутворення та оброблення НГЗ, устаткування для їх виготовлення, спорядження для контролю технологічних параметрів, методику розрахунку режимів різання.

Основні результати роботи впроваджено на ВАТ “ТКЗ” і в навчальний процес підготовки бакалаврів за спеціальністю 6.0902“Інженерна механіка” для викладання дисциплін “Технологія машинобудування”, “Технологічні методи виробництва заготовок деталей машин” на кафедрі “Комп'ютерні технології в машинобудуванні” Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. Технічну новизну розроблень захищено 9 деклараційними патентами України на винаходи.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень отримані автором самостійно.

У працях, виконаних у співавторстві, розроблено теоретичні основи процесу формоутворення [5], динамічну модель процесу неперервного розточування [3], технологічні особливості навивання, профілювання та оброблення гвинтових нежорстких заготовок [1,4,6,11], механіко-математичні основи проектування гвинтових передач [8], технологічне забезпечення механічного оброблення гвинтових нежорстких заготовок [2] та результати їх експериментальних досліджень [7], способи виготовлення, профілювання та розточування навивних заготовок деталей машин [11,13,16,17], запропоновано конструкції деталей і механізмів з використанням НГЗ [9,10,12], устаткування та схему для їх навивання [14], спорядження для контролю конструктивних параметрів навивних заготовок [15].

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: науково-практичних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль, 2002-2005рр.), Міжнародній практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (Харків, 2004), міжнародній науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта” (Севастополь, 2004). У повному обсязі робота доповідалась й отримала позитивний відгук на розширеному науково-технічному семінарі Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Результати наукових досліджень викладені у 17 друкованих працях (7 одноосібних), з яких - 8 статей у фахових виданнях, 9 деклараційних патентів на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 154 сторінках, складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 125 назв, містить 73 рисунки і 9 таблиць, а також додатки на 47 сторінках. Загальний обсяг роботи 212 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми розширення технологічних можливостей виробництва ГЗ деталей машин та розроблення 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 проведено аналіз та узагальнення відомих наукових напрацювань і проблемних питань технології виготовлення гвинтових заготовок, обґрунтовано доцільність проведення досліджень та перспективність використання деталей машин, одержаних на основі гвинтових заготовок.

Дослідженнями технологічних процесів виготовлення гвинтових заготовок займались Б.М.Гевко, М.Є.Зубцов, М.Н.Лисовий, Є.М.Мошнін, Б.Я.Мазуровський, М.І.Пилипець, C.Ф.Пилипака, Є.А.Попов, В.П.Романовський, Р.М.Рогатинський, Н. С.Трішевський та ін.

Відзначено, що питання проточування спіральних заготовок за зовнішньою крайкою вперше розглянуто у працях проф. Б.М. Гевка, М.І. Пилипця. На основі проведеного аналізу визначено наукові підходи та напрямки досліджень в якості вихідних для вирішення поставлених в роботі задач.

У другому розділі розглянуто особливості формоутворення нежорстких гвинтових заготовок методом навивання плоских стрічок з профілюванням зовнішньої крайки.

У зоні деформування створюється складний напружено-деформівний стан, дослідження якого дозволило визначити низку технологічних чинників процесу.

Для цього розглянуто схему дії сил, де Р - зусилля згинання, Р_пп - зусилля профілювання зовнішньої крайки НГЗ, P_У - їх сумарна складова

P_У=Р+Р_пп,

експериментально встановлено що

Р_пп,=(0,04-0,08)Р,

звідки

P_У=(1,04-1,08)Р;

_о - коефiцiєнт тертя стрічки до оправи;

F - рiвнодiйна нормальних контактних напружень

h_r - товщина крайки за внутрішнім радіусом;

_F - кут прикладання рiвнодiйної F;

r - радіус оправи

N,

вiдповiдно поздовжнi й поперечнi зусилля;

- приведений коефiцiєнт тертя у мiсцi прикладання поперечної сили;

_r - контактне нормальне напруження на оправi;

l - плече прикладання сили P_У.

У перерізі заготовки дiє згинальний момент та момент від поздовжньої сили , тут

з радіусом навивання r_s, які створюють момент від тангенційних напружень за висотою заготовки:

.(1)

Розв'язавши рівняння рівноваги ділянки стрічки з миттєвою координатою , попередньо подавши рівняння, яке зв`язує момент від тангенційних напружень із поздовжньою розтягувальною силою

, (2)

де _пр - приведений радiус прикладання поздовжньої сили N,

,

враховуючи, що напруження i - головні, визначено миттєві значення поздовжньої сили й моменту, якi дiють у граничному перерізі ₂:

; (3)

. (4)

Для визначення зусилля деформації в зоні формоутворення та впливу на них площі поверхні контакту формувального ролика зі стрічкою, що навивається, розглянуто площу, яку знайдено як подвійний інтеграл по поверхні контакту:

, (5)

де z = f(x, у) -- рівняння поверхні навитої заготовки; х, у -- відповідно декартові координати, направлені уздовж осі обертання за напрямком руху ролика.

Рівняння поверхні формувального ролика

(6)

де z_o--z -- відстань між поверхнею заготовки та її віссю; R - радіус заготовки, -- функція опису профілю формувального ролика за його шириною, визначена у власній системі координат; s -- поперечна подача формувального ролика під час навивання, яка дозволяє знайти часткові похідні, необхідні для визначення площі зони деформації.

Після диференціювання та перетворень залежність (5) отримано у вигляді:

(7)

Поверхня контакту в загальному випадку складається з ділянки, розташованої в зоні, вже деформованій формувальним роликом S₁, і ділянки в зоні недеформованої заготовки S₂, тобто S = S₁ + S₂. Інтегруванням виразу (7) по змінній у і відповідних перетворень отримано рівняння для визначення поверхні контакту в зоні, деформованій формувальним роликом:

(8)

в недеформованій зоні заготовки

(9)

де

Після інтегрування залежностей (8,9) отримано наближені формули для визначення площ:

(10)

(11)

де е - поперечна деформація стискання.

На основі залежності (3), з врахуванням отриманих рівнянь для розрахунку площі зони деформації за відомого радіуса нейтральної поверхні, визначено поздовжню згинальну силу:

(12)

та поперечну згинальну силу

. (13)

Момент, необхiдний для навивання спiралей на оправу, залежить вiд конструктивних особливостей оправ i у загальному випадку описаний залежнiстю:

, (14)

де k_о- коефiцiєнт, що враховує конструктивне виконання оправи.

Одержані аналітичні залежності дозволяють з достатньою точністю здійснювати розрахунки силових параметрів процесів навивання НГЗ з профілюванням крайок різного профілю.

Для підвищення точності навитої заготовки за внутрішнім діаметром розглянуто процес розточування отворів.

В процесі розточування отворів з невеликим внутрішнім діаметром у НГЗ із матеріалів, які утворюють зливну стружку, спостерігається тертя стружки до обробленої поверхні та заклинювання її в отворі, тобто якість обробленої поверхні залежить від характеру завивання стружки.

Тому в роботі розроблено заходи щодо зменшення радіуса завивання стружки Rз за умови: Rз < Ro, де Ro - радіус оброблюваного отвору.

В теорії різання металу утворення стружки пояснюється як процес зсуву металу, що проходить вздовж площини ковзання в оброблюваному матеріалі, внаслідок чого оброблюваний матеріал пластично деформується на ділянці АВ і відділяється від заготовки площиною зсуву ОF.

Враховуючи пружно-пластичні деформації оброблюваного матеріалу та розглядаючи дискретність утворення стружки, аналітично досліджено характер її завивання. Радіус завивання стружки залежно від кута різця визначено за залежністю:

(15)

де а - товщина зрізувального шару; - товщина стружки; х - біжуча координата; - коефіцієнт Пуассона, и_с - кут сколювання.

Розрахунок радіуса завивання стружки за отриманим виразом дає можливість підібрати параметри різця для розточування та забезпечити якісне формоутворення оброблюваного отвору у навивній заготовці.

Дослідження динаміки процесу розточування проведено з припущеннями:

деформації системи - пружні, а зведені жорсткості елементів системи - лінійні;

зусилля різання в тангенційному та радіальному напрямках прямопропор-ційні глибині різання;

швидкість обертання пристрою для закріплення НГЗ постійна;

деформацією згину пристрою для закріплення НГЗ нехтуємо;

демпфуванням у системі нехтуємо внаслідок короткочасності ударного процесу різання;

на ділянках врізання інструменту та його виходу глибина різання лінійно змінюється.

Визначено диференціальні рівняння руху різцетримача у тангенційному та радіальному напрямках:

,(16)

де , - відповідно зведені маси різцетримача у тангенційному та радіальному напрямку; ,- відповідно зведені жорсткості різцетримача у тангенційному та радіальному напрямку; , - відповідно тангенційна та радіальна координати руху різцетримача.

Рівняння руху НГЗ:

,(17)

де - зведена маса витка гвинтової нежорсткої деталі до точки контакту з різцем;

- зведена жорсткість витка гвинтової нежорсткої заготовки в місці контакту з різцем; - координата руху гвинтової заготовки; - швидкість обертання пристрою для закріплення гвинтової нежорсткої деталі, ф - біжучий час.

Система диференціальних рівнянь (16) з врахуванням залежності (17) описує процес перервного розточування НГЗ, рух окремих складових системи та динамічні зусилля, які при цьому виникають. Для її розв'язку задано початкові умови. Очевидно, що перед початком різання (до контакту різця з заготовкою) різцетримач знаходиться у вільному стані, тому його координати нульові, так само, як і відповідні швидкості.

Для практичного аналізу застосовано стандартний чисельний метод інтегрування системи диференціальних рівнянь Рунге-Кута. Для цього систему (16) зведено до системи диференціальних рівнянь першого порядку, виконавши очевидні перетворення для заміни змінних.

У третьому розділі на основі запропонованої програми та методики досліджень перевірено та підтверджено основні теоретичні викладки, отримано додаткові відомості про особливості запропонованих ТП. Згідно з програмою досліджень: спроектовано, виготовлено та випробувано технологічне спорядження для виготовлення НГЗ з початкових стрічкових заготовок; виготовлено технологічне устаткування для проведення досліджень; експериментально досліджено: умову стійкості НГЗ в процесі формоутворення з початкових стрічкових заготовок, функційні зв'язки між її геометричними параметрами, зусиллям профілювання зовнішньої крайки та зусиллям формоутворення гвинтових заготовок, уточнено конструктивні та технологічні параметри процесу формоутворення; на основі результатів експериментальних досліджень і порівняльного аналізу доведено адекватність теоретичних викладок; експериментально досліджено вплив конструктивних параметрів на процес розточування НГЗ, визначено вплив технологічних чинників на якісні показники виготовлення гвинтових деталей машин з навивних заготовок.

Експериментально досліджено технологію навивання гвинтових заготовок на оправу з профілюванням зовнішньої крайки заготовок із сталі 08 кп, Ст3 і алюмінієвого стопу АЛ5 товщиною 1-6 мм, шириною 20-50 мм. Для визначення впливу радіуса згину стрічки на процес формоутворення використано оправи радіусами 15, 20, 25, 30, 35, 60 і 90мм. Навивання заготовки здійснювали на токарно-гвинторізному верстаті 16К20, частоту обертання шпинделя встановлювали в межах 1,0-1,5 с^-1. Згинальні моменти визначали за зусиллями, виміряними динамометром ДОС-20. Корпус динамометра встановлювали на направляючі супорта, що переміщувався з робочою подачею відповідно до товщини стрічки, яку навивали. Момент навивання стрічки на оправу заміряли методом тензометрування за допомогою динамометра. Давачі наклеювали на видовжений привід кінця оправи за мостовою схемою. Запис моментів здійснювали самописним пристроєм Н-388-П за допомогою тензометра Топаз 4-01.

Після проведення експериментів випробуване технологічне устаткування та спорядження для виготовлення ГНД з стрічкових заготовок впроваджено у виробництво. Також на основі проведених експериментальних досліджень та порівняльного аналізу обґрунтовано достовірність теоретичних викладок. Ефективність розробленої методики підтверджена технологічними рішеннями, що відповідають локальній новизні (на конструкції розробленого технологічного спорядження одержано 3 патенти України на винаходи).

За допомогою розробленого й реалізованого устаткування здійснювали навивання, розточування, а також нарізання різі у гвинтових заготовках в широкому діапазоні зміни параметрів, що дозволило з більшою точністю встановити закономірності та особливості процесів формоутворення й розточування нежорстких гвинтових заготовок.

Результати досліджень процесу навивання показують, що в зв'язку з особливістю навивання стрічки ребром на оправу з одночасним профілюванням зовнішньої крайки, розширюються можливості одержання гвинтових заготовок з різними параметрами. У випадку застосування спеціальної оправи і додаткового профілювального ролика забезпечується стійкість смуги в процесі гнуття за умови (1,0-1,5). Згин здійснюється поперечною незосередженою згинальною силою з плечем її прикладання в зоні деформації. Це сприяє підвищенню поперечної та поздовжньої стійкості, збільшенню ступеня видовження зовнішньої крайки через значні радіальні напруження, які виникають в процесі профілювання крайки та діють в зоні пластичної деформації.

Аналіз проведених досліджень впливу параметрів стрічки та радіуса навивання на оправу стрічок із алюмінієвих стопів, сталей 08кп і Ст3 показав, що зусилля згину в значній мірі залежить від значення сили попереднього радіального притиску, яке практично визначає розрахункове значення довжини плеча прикладання згинальної сили.

Залежність зусилля навивання від радіуса згинання визначали шляхом навивання стрічок висотою 40, 25, 10 мм на оправи різного діаметру. Збільшення сили згинання спостерігається під час навивання на оправи меншого діаметру, а також стрічок більшої висоти.

Аналіз результатів дослідження процесу розточування НГЗ показав, що підвищення швидкості різання зменшує силу різання, а із збільшенням подачі та глибини сила різання зростає.

Результати досліджень можна використовувати для проектування технологічних процесів виготовлення НГД машин.

Запропонований технологічний процес виготовлення гвинтових гайок з використанням розробленого способу нарізання різі та пристрій для його реалізації забезпечує надійний і якісний процес виготовлення гайок з відповідною продуктивністю й надійністю та розширенням технологічних можливостей використання НГЗ.

Для контролю процесу формоутворення НГЗ запропоновано запатентований пристрій.

В четвертому розділі наведено опис конструкцій та принцип дії устакування для виготовлення НГЗ, подано схеми технологічного оснащення.

Подальше оброблення НГЗ полягає в розточуванні внутрішньої поверхні, що здійснюється у спеціальному пристрої, який закріплюється у шпиндель токарного верстату.

Розроблено технологію виготовлення гвинтових гайок. Основний недолік існуючих гайок полягає у тому, що перші три витка сприймають близько 80% усього навантаження, а спроектовані гайки рівномірно сприймають усе навантаження.

Запропоновано рекомендації для виготовлення гвинтових гайок: дотримання вимог точності до профілю проточеної різі, циліндричності оправи за внутрішнім діаметром, співвісності гвинтової деталі та оправи, а також паралельності зовнішніх крайок.

В крупносерійному і масовому виробництві для контрольних операцій можна використовувати стандартні вимірювальні пристрої, що дозволяє знизити собівартість виготовлення заготовок.

Гудь В.З. Технологічне забезпечення виготовлення нежорстких гвинтових заготовок. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування.- Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. - Тернопіль, 2006.

Робота присвячена питанням підвищення ефективності формоутворення нежорстких гвинтових заготовок деталей машин із тонких стрічок за рахунок розроблення раціональних технологічних процесів і методики проектування оснащення для їх виготовлення. Запропонована математична модель описує процес формоутворення навивних заготовок з формуванням різнопрофільних зовнішніх крайок. Встановлено аналітичні залежності для визначення характеристичних параметрів. Досліджено процес розточування нежорстких гвинтових заготовок та запропоновано технологічні процеси виготовлення з них спеціальних гайок.

Отримані результати, які пройшли експериментальну перевірку та промислову апробацію, дали змогу запровадити нові конструкції технологічного устаткування і спорядження, технологічні схеми й методи їх розрахунку, що дозволило розширити техніко-експлуатаційні можливості досліджуваних ресурсоощадних процесів.