Технологічне забезпечення виготовлення деталей типу тіл обертання з профільного прокату

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Однією з передумов подолання кризової ситуації у національній економіці є подальший розвиток машинобудування, який сприяє зростанню продуктивності праці, підвищенню ефективності виробництва, покращенню якості продукції та вимагає принципово нових пiдходiв до створення й використання високоефективних ресурсоощадних технологій.

Незважаючи на значну кількість наукових праць, які присвячені виробництву профільних гвинтових і кільцевих заготовок, рівень технологічного забезпечення в нашій державі та за її межами залишається недостатньо високим, а наукова база для його створення не завжди відповідає сучасним вимогам за матеріало- та енергомісткістю.

Серед зазначених проблем важливе місце посідає дослідження та розроблення прогресивних технологічних процесів формоутворення гвинтових і кільцевих заготовок, які набули широкого застосування у різних галузях народного господарства. Підвищені вимоги до технологічних і конструктивних параметрів, якості, надійності та довговічності, розширення функціональних можливостей гвинтових та кільцевих заготовок потребують проведення глибокого аналізу існуючих технологій їх виготовлення та здійснення на цій основі науково обґрунтованих теоретичних і експериментальних напрацювань з метою успішного їх впровадження у виробництво.

Отже, дослідження, спрямовані на розроблення та практичну реалізацію раціональних технологічних процесів одержання профільних заготовок є актуальними, доцільними та перспективними з огляду на необхідність впровадження конкурентноздатних технологій з високими техніко-економічними показниками.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення науково-практичних рекомендацій для проектування технологічних процесів виготовлення кільцевих і гвинтових заготовок машин типу “тіл обертання” з профільного прокату на основі ресурсоощадних технологій.

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

- проаналізувати технологічні процеси виготовлення гвинтових і кільцевих заготовок і на цій основі розробити теоретичні передумови проектування ресурсоощадних технологій для виготовлення профільних гвинтових заготовок типу “тіл обертання” способом навивання на оправу з відповідними технологічними та конструктивними параметрами;

- розробити математичну модель формоутворення профільних гвинтових заготовок;

- розробити технологічні основи виготовлення гвинтових і кільцевих заготовок з граничними та номінальними конструктивними параметрами для дрібносерійного й серійного виробництва;

- провести теоретичні та експериментальні дослідження процесів формоутворення гвинтових і кільцевих заготовок з уточненням параметрів технологічного спорядження;

- встановити закономірності впливу конструктивно-технологічних параметрів і властивостей матеріалів та механічних властивостей гвинтових заготовок на параметри точності процесів їх формоутворення;

- спроектувати і виготовити функціонально здатні зразки технологічного оснащення, вимірювальних інструментів для навивання і розточування профільних заготовок різного технологічного призначення;

- розробити інженерну методику проектування технологічних процесів формоутворення гвинтових та кільцевих заготовок, технологічного оснащення і вимірювальних інструментів для їх виготовлення з впровадженням у виробництво результатів досліджень.

1. Сучасний стан досліджуваної проблеми, її актуальність та результати огляду літературних джерел

Проаналізовано методи одержання гвинтових і кільцевих заготовок пластичним деформуванням, здійснено аналіз відомих технологічних схем та результати їх практичного застосування. Подано аналіз чинників, які мають вирішальний вплив на точність процесів формоутворення. Наведено порівняльну характеристику виготовлення заготовок деталей типу “тіл обертання” методом литва, кування і навивання.

Аналіз існуючих методів формоутворення гвинтових і кільцевих заготовок показав, що вони є недосконалими та працемісткими внаслідок низької точності поверхонь і розмірів заготовок, не забезпечують можливості їх раціонального виготовлення, тому потребують подальшого вдосконалення з метою розширення функціональних і технологічних можливостей отримання гвинтових елементів складних форм із поперечним перерізом різного профілю.

Розробленням технології виготовлення та визначенням конструктивних параметрів кільцевих і гвинтових заготовок займались І.П. Рене, Є.М. Мошнін, Ю.А. Аверкієв, А.З. Журавльов, А.Е. Церна, Д.Я. Шифрін, Б.М. Гевко, М.І. Пилипець, Р.М. Рогатинський, Л.М. Данильченко, Д.Л. Радик, В.В. Васильків та інші. Технологія виготовлення профільних кільцевих заготовок навиванням на оправки не у повній мірі оцінює параметри їх одержання з мінімальними внутрішніми діаметрами. Тому, для оцінки процесів формоутворення гвинтових та кільцевих заготовок навиванням виникла потреба введення нового критерію, який би враховував коефіцієнт питомої висоти та радіус кривини профільної навивної заготовки (ПНЗ).

2. Економічне обґрунтування доцільності використання ПНЗ і перспективні конструкції різного функціонального та технологічного призначення

Здійснено аналіз залежності витрат на виготовлення гвинтових деталей із ПНЗ та аналогічних, отриманих штампуванням та куванням, який довів суттєві переваги першого за показниками праце- , матеріало- та енергомісткості за рахунок оптимального способу отримання заготовки, коефіцієнту використанняматеріалу та відсутності чорнового оброблення. Експлуатаційні характеристики деталей, виготовлених з ПНЗ, значно вищі в умовах динамічних навантажень на відміну від статичних, оскільки в зоні удару контактна жорсткість менша. Отже, вдосконалення технологічних процесів виготовлення та відновлення деталей типу “тіл обертання”, які характеризуються низькою праце- та матеріаломісткістю, полягає у створенні нових типів заготовок, виготовлених із різних профілів з відповідними конструктивними параметрами навиванням на оправу.

Розглянуто особливості виготовлення навивних заготовок з кутника методами пластичного деформування дискретним та неперервним навиванням. У зоні пластичного деформування створюється складний напружено-деформований стан, дослідження якого важливе для визначення ряду технологічних чинників процесу формоутворення та конструктивних параметрів виробу.

Під час навивання кутника розподіл контактних напружень є складним, а напружено-деформований стан описується симетричними тензорами другого рангу. У прямокутних декартових координатах для довільного елементу заготовки рівняння рівноваги відоме.

З врахуванням гвинтової симетрії спіралі замість декартових координат використано спеціальну систему гвинтових координат Оntb, в якій вісь Ot спрямована вздовж дотичної до гвинтової лінії (напрямної), вісь On - вздовж нормалі, а вісь Ob - вздовж бінормалі. Оскільки, розглядається напружено-деформований стан у тонких пластинах, то приймаємо, що вісь Ob спрямована прямолінійно вздовж нормалі до серединної поверхні, а орти системи співпадають з векторами супутнього трикутника середньої гвинтової лінії.

Для складання рівняння рівноваги в системі гвинтових координат Оntb виділено елементарний об'єм: dV=dn·dt·db. На гранях виділеного об'єму діють нормальні уt, уn уb, та відповідні тангенційні напруження.

Якщо позначити кривину осьової гвинтової лінії , врахувавши, що товщина полички змінюється за законом , де - висота полички перед навиванням; - радіус нейтрального шару деформації, то рівняння рівноваги внутрішнього елементу із змінною висотою має вигляд:

(1)

Після відповідних перетворень отримано рівняння:

, (2)

де , - відповідно радіальне та граничне напруження; - раціональний параметр гвинтової заготовки, що відповідає координаті n; - параметр кроку гвинтової поверхні (тут Т - крок гвинтової поверхні). Для зони розтягу прийнято знак (+), для зони стиску - (-).

Розв'язок рівняння (2) для зони розтягу має вигляд:

, (3)

для зони стиску:

, (4)

де та - максимальні та мінімальні радіуси за зовнішнім та внутрішнім контуром гвинтової заготовки.

Визначено радіус нейтрального шару, що розподіляє зону стиску та зону розтягу (для ) дорівнює:

(5)

Значення поздовжньої сили отримано як інтегральну суму тангенційних напружень за площею заготовки:

, (6)

де - коефіцієнт, який залежить від співвідношення головних напружень; - внутрішній радіус контуру.

Експериментальні дослідження підтвердили, що технологічний процес неперервного навивання заготовок з профілів і сходження з оправи навитої заготовки за мінімальних енергозатрат забезпечується лише тоді, коли сила тертя між першими двома - трьома навитими витками й оправою максимальна.

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

Досліджено процес навивання U-подібної заготовки в пакет щільно навитих витків. Крок навивання пакету дорівнює ширині U-подібної заготовки (подвійній товщині кільця із врахуванням припусків) і є значно меншим довжини заготовки, необхідної для формування одного витка.

Для зменшення впливу похибок, що виникають при цьому, доцільно прийняти розрахунковий радіус оправи рівним радіусу кривини внутрішньої циліндричної поверхні:

, (7)

де r0 - радіус оправи, b - ширина U-подібного профілю.

Під час навивання ребристих елементів профілю реалізується плоско-напружений стан, для якого напруження по вісі, паралельній вісі оправи та дотичні напруження в площині нормального перетину дорівнюють: 0.

Записано умову пластичності Губера-Мізеса для плоского напружено-деформованого стану:

, (8)

де , - максимальне та мінімальне головні напруження; - напруження текучості; - коефіцієнт, що залежить від співвідношення головних напружень ().

Напруження текучості для випадку згину доцільно апроксимувати лінійною залежністю:

, (9)

де - екстрапольована межа текучості; П - лінійний модуль зміцнення; - радіус нейтральної поверхні деформації, приймається рівним радіусу нейтрального шару деформації.

Для зони розтягу мінімальне та максимальне напруження в ребровому елементі: , і , для зони стиску (ребровий елемент), і . Для перемички (плоско-деформований стан): , відповідно , і .

Навивання заготовки здійснюється роликом, на якому виникає сила згинання Р. Тоді на оправі також виникає рівнодійна реакція R=P, сили тертя від якої , а сили тертя на ролику сприяють утворенню розтискаючої сили N, прикладеної до заготовки. Тут - коефіцієнт тертя від кочення ролика, - коефіцієнт бокового тертя від осьових сил, що діють на ролик (сили бокового тиску).

Для визначення силових параметрів навивання визначено величину радіусу деформації. Отримано розв'язок рівняння рівноваги в ребристих елементах профілю

для зони розтягу:

(10)

, (11)

для зони стиску:

(12)

. (13)

Визначено розтягувальну силу N, момент навивання (на оправі) та радіус нейтральної деформації:

; (14)

, (15)

де - ширина стопорного кільця; - ширина перемички між сусідніми ребрами.

В процесі згинання профілів, окрім згинного моменту, виникають поперечні згинальні зусилля, що можуть депланувати площину згину профілю, тому для протидії необхідно використовувати відповідні технічні засоби (притискні ролики, напрямні тощо).

Визначено зусилля Р, необхідне для згинання профілю із плечем l:

. (16)

Радіус нейтральної поверхні деформації визначено за залежністю:

(17)

Встановлено, що запропонований технологічний процес навивання профільних заготовок забезпечує виготовлення гвинтових та кільцевих 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.

3. Програма та методика експериментальних досліджень навивання й проточування профільних Г-подібних кільцевих та гвинтових заготовок

Пристрій для навивання заготовок з Г-подібного профілю базувався на токарному верстататах 16К20 і 16К40 з частотою обертання шпинделя с-1. Під час навивання кільцевих та гвинтових заготовок з Г-подібного профілю на оправу з щільним приляганням нижньої полички визначали зусилля згину динамометром ДПУ-05, для матеріалів профілів: Ст 3, 08кп, Ст 65Г, алюмінієві сплави Д16 товщиною полички = 2,5-5 мм, шириною = 20-31 мм.

Для визначення радіусу згину в процесі навивання і проточування профільних заготовок використовували оправи радіусом 100, 200, 300, 400 мм. Обґрунтовано вибір конструктивних параметрів заготовок, розглянуто питання проектування технологічного спорядження для навивання профільних гвинтових заготовок деталей машин. Для визначення залежностей згинального моменту від зміни ширини і марки матеріалу заготовки з діаметром оправи для проведення технологічного процесу навивання профільних Г- подібних заготовок проведено комплекс експериментальних досліджень, реалізація яких відбувалася шляхом планування та проведення двофакторного експерименту типу ПФЕ 32. Оскільки, при проведенні експериментів змінні незалежні фактори неоднорідні та мають різні одиниці вимірювання, а числа, що виражають значення цих факторів - різні порядки, то їх приводили до єдиної системи розрахунків шляхом переходу від дійсних значень до кодованих.

Вводили умовні позначення верхнього, нижнього та нульового рівнів варіювання факторів, відповідно +1, -1, 0 для побудови умовної план-матриці планування експериментів. Після оброблення експериментальних даних отримано рівняння регресії в кодованій формі, які характеризують залежність зміни згинального моменту процесу навивання Г-подібної профільної заготовки від діаметру оправи і ширини заготовки =f(x1;x2), =f(x1;x2) відповідно для алюмінієвих сплавів Д16 і сталі Ст3:

=1,22-0,22 x1+1764x2+0,0008 x12+0,004 x1 x2-0,31x22; (18)

=216,14+0,42 x1+1,36 x2+0,0006 x12+0,013 x1x2-0,03 x22, (19)

де x1 - діаметр оправи; x2 - ширина заготовки.

Для заміру конструктивних і технологічних параметрів оброблених заготовок типу “тіл обертання” розроблено контрольний пристрій з давачами шорсткості і точності з виведенням результатів заміру на комп'ютерну систему.

4. Результати експериментальних досліджень процесів навивання заготовок із внутрішніми радіусами r=100-400 мм з профілів висотою полички до 31 мм і товщиною H= 2,5-5 мм.

Що дозволило з більшою точністю встановити закономірності та особливості процесів формоутворення гвинтових і кільцевих заготовок.

Для досліджуваних заготовок використовували профілі з сталі 0,8 кп, Ст3, Сталі 1Х18Н9Т,0 Ст65Г і алюмінієвих сплавів Д16. В процесі виготовлення кілець визначали залежності зусилля навивання заготовок діаметром оправи 200 мм від ширини заготовки. Проведені експериментальні дослідження показали, що стабільний процес навивання заготовок здійснюється в тому випадку, коли rB, а відносна висота В/Н 22 (рис.5). Дослідженням встановлено, що у випадку згинання заготовки силою, плече прикладення якої , зведена висота ребра кутника bзв=12-18.

За схемою неперервного навивання профільних заготовок встановлено, що сила згинання в меншій мірі залежить від початкової осьової сили притискання, ніж під час дискретного процесу.

На рис.6 наведено графічні залежності сили згинання різних типів профільних заготовок від радіусу оправи, висоти полички, плеча прикладання згинальної сили та інших параметрів для різних марок матеріалів.

Проведені дослідження показали принципову можливість навивання на оправу гвинтових деталей зі зведеною висотою, що обмежується практично не втратою стійкості, а пластичністю металу.

З метою вивчення процесів проточування гвинтових заготовок проведено комплекс досліджень із зміною відповідних параметрів в межах: для вибору раціональних параметрів та режимів різання - глибиною різання 1-3 мм, подачею 1,0-1,8 мм/об, швидкістю різання 150 м/хв. При цьому забезпечуються точність за7-9 квалітетами і шорсткість обробленої поверхні в межах Ra=1,6- 2,5 мкм для матеріалів - сталь Ст3, 08кп, 65Г, Сталь 1Х18Н9Т, алюмінієвих сплавів Д16.

Аналіз результатів досліджень, зокрема, процесів проточування гвинтових заготовок за зовнішнім діаметром показав, що підвищення швидкості різання зменшує силу різання для Ст 3, Ст 65Г. Отримані результати можна використовувати для проектування нових технологічних процесів виготовлення гвинтових та кільцевих деталей високої точності за зовнішнім діаметром з профільних заготовок. Запропоновано варіанти технологічних процесів виготовлення кільцевих заготовок.

5. Інженерні методики проектування і розрахунку технологічного оснащення для навивання профільних Г-подібних заготовок, виготовлення деталей типу “тіл обертання” і кілець, конструкції вимірювальних інструментів

Проектування технологічних процесів виготовлення гвинтових і кільцевих заготовок методами навивання пов'язане перш за все з визначенням ступеня складності кутника, який оцінюється коефіцієнтом нерівномірності витягування та відносною товщиною заготовки , яка характеризує стійкість процесу формоутворення

Проаналізовано результати експериментальних досліджень процесів навивання профільних заготовок їх можливого відпружинення і скручування, розроблено пристрої для навивання профільних заготовок, конструкції яких захищені деклараційними патентами.

Висновки

кільцевий ресурсоощадний гвинтовий оправа

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає в розробленні високопродуктивних ресурсоощадних технологічних процесів виготовлення гвинтових деталей, які характеризуються покращеними експлуатаційними характеристиками та раціональними конструктивними параметрами удосконалених і розроблених конструкцій технологічного устаткуваня й спорядження на основі дослідженої математичної моделі формоутворення профільних заготовок, що дало змогу визначати граничні та номінальні силові й конструктивні параметри технологічного оснащення, а також розробити передумови формоутворення гвинтових заготовок з Г-подібним поперечним перерізом, які забезпечують високу технологічність і продуктивність процесу виготовлення ободів. Використання відомих методик розрахунку процесів виготовлення гвинтових заготовок навиванням пов'язано з певними труднощами, зокрема, одночасним впливом багатьох факторів, які не дозволяють отримати точні розрахунки напружень, зусиль, деформацій, що функціонально відображають реальний вплив основних параметрів на точність формоутворення.

На основі проведених комплексних досліджень, теоретичних розроблень та узагальнень, із позиції системного підходу, сформульованo методи розв'язання науково-прикладної задачі. Використання цих методів, запроектованого устаткування та спорядження забезпечують подальший розвиток технології виготовлення заготовок деталей машин підвищеної точності шляхом формування необхідних фізико-механічних і конструктивних параметрів з метою покращення технологічних та експлуатаційних показників, зокрема, підвищення продуктивності, якості та точності виготовлення, зниження собівартості одиниці продукції.

2. Вперше розроблено математичну модель технологічного процесу навивання гвинтових і кільцевих заготовок з прокату поперечного перерізу 20Ч20-31Ч31мм заданого кроку, в результаті чого виведено аналітичні залежності для визначення їх технологічних і конструктивних параметрів. Проведені теоретичні дослідження напружено-деформованого стану формоутворення профільних заготовок дали можливість визначити розподіл напружень, згинальних моментів, поздовжніх і поперечних сил, приведеного радіусу згинання.

3.Вперше розроблено теоретичні передумови технологічних процесів формоутворення щільним навиванням гвинтових заготовок з профільного прокату з відповідними технологічними й конструктивними параметрами, досліджено напружено-деформований стан з використанням жорстко-пластичної моделі Мізеса, який виникає внаслідок пластичного деформування та покладений за теоретичну основу в проектуванні принципово нових технологічних процесів виготовлення гвинтових ( 80-160 мм) і кільцевих (200-800 мм) заготовок зі зведеною висотою bзв= 12-18.

4. Вперше розроблено та реалізовано технологічні методи виготовлення кільцевих і гвинтових профілів методами періодичного та неперервного навивання, спроектовано устаткування для дослідження впливу зусиль згинання навивних заготовок на технологічність і конструктивні параметри процесу формоутворення на верстатах 16К20 і 16К40, що дозволило встановити раціональні режими механічного оброблення гнутих профілів (товщиною Н=2,5-5мм з кутовою швидкістю =1,3с).

5. Проведено комплекс експериментальних досліджень процесів згинання кутників з матеріалів: сталь 0,8 кп, Ст3, Ст65Г, алюмінієвий сплав Д16 з поперечним перерізом заготовок 20Ч20-31Ч31 мм, товщиною Н=2,5-5 мм та формоутворення Г-подібних заготовок D=200-800 мм, радіусами заокруглень зовнішнього ребра rз=B/2, швидкістю навивання V=30-60 м/хв, зусиллями навивання Р=500-1000Н і моментами Мн1310 Нм з вибором оптимальних параметрів та режимів різання: t = 1-3мм, S = 0,05-1,8 мм/об, V = 600 м/хв, які забезпечують точність за 7- 9 квалітетами і шорсткістю обробленої поверхні Ra=1,6-2,5 мкм з урахуванням особливостей перехідних процесів з ударними навантаженнями.

6. Дослідженнями реалізовано сприятливі схеми згинання, які здійснюються поперечною незосередженою згинальною силою із плечем прикладання у зоні деформації та покращенням умов деформування металу, що дало можливість підвищити поперечну й поздовжню стійкість процесів формоутворення, збільшити ступінь видовження зовнішнього ребра внаслідок дії значних радіальних напружень у зоні пластичної деформації, зменшити величину відпружинення сталевих (16-22%) і алюмінієвих (4-8%) заготовок, що враховано в проектуванні технологічного оснащення і вимірювальних інструментів.

7. Підтверджено економічну доцільність використання навивних заготовок на основі запропонованих ресурсоощадних технологій та застосування технологічного процесу виготовлення профільних гвинтових і кільцевих заготовок, що дає змогу зменшити питомі матеріально-енергетичні витрати на 22-35% та собівартість деталі, забезпечити високу надійність й довговічність, а також розширити їх функціонально-технологічні можливості застосування у різних галузях машинобудування.

8. Проведені експериментальні дослідження згідно розробленої програми досліджень підтвердили адекватність теоретичних розрахунків дійсним значенням технологічних параметрів. Порівняльний аналіз зусиль і моментів, отриманих експериментальним і розрахунковим шляхом із використанням багатофакторного експерименту, показав високу для практики точність розрахунків з похибкою 12-22 %.

9. Розроблено інженерну методику проектування ресурсоощадних технологічних процесів, технологічного оснащення для виготовлення профільних заготовок типу “тіл обертання” періодичним та неперервним способами навивання, а для заміру параметрів роликів розроблено контрольний пристрій з точністю 0,05-0,1. Результати досліджень впроваджено в конструкціях нових типів механізмів та частково на ВАТ “Ковельсільмаш” (м. Ковель, Волинської області) з річним економічним ефектом 3257,2 грн. Технічна новизна розроблень захищена 6 деклараційними патентами України на винаходи.

Література

1. Ляшук О.Л. Особливості виготовлення профілю гвинтових та кільцевих заготовок // Наукові нотатки.- Луцьк: Ред. -вид. відділ ЛДТУ, 2003.-Вип. 12.-С.160-164.

2. Ляшук О.Л. До питання формоутворення профільних кільцевих заготовок // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства “Механізація сільськогосподарського виробництва”. - Вип. 21. - Харків: ХДТУСГ, 2003. - С.421-425.

3. Ляшук О.Л. Обґрунтування конструктивних параметрів інструментів для виготовлення Г-подібних заготовок // Донбаська державна машинобудівна академія -Вип. 16. - Краматорськ: ДДМА, 2004. - С.32-37.

4. Ляшук О.Л. Результати експериментальних досліджень технологічних процесів навивання Г-подібних гвинтових і кільцевих заготовок деталей машин // Наукові нотатки.- Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ, 2005.-Вип. 16.-С.156-161.

5. Брощак І.І., Ляшук О.Л., Дзюра В.О. Особливості технології виготовлення стопорних кілець привідних валів // Наукові нотатки. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ, 2005.-Вип. 16.-С.11-15.

6. Гевко Б.М., Ляшук О.Л. Розрахунок витрат потужності процесу формоутворення профільних гвинтових заготовок // Наукові нотатки. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ, 2005.-Вип.1 6.-С.28-35.

7. Пилипець М.І., Ляшук О.Л. Динамічна модель процесу формоутворення ребристих гвинтових профілів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Т.9, №4. - Тернопіль: ТДТУ, 2004. - С.48-53.

Размещено на Allbest.ru