Технологічне забезпечення точності і стабільності виготовлення різьбових отворів у балонах в умовах масового виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ І СТАБІЛЬНОСТІ ВИГОТОВЛЕННЯ РІЗЬБОВИХ ОТВОРІВ У БАЛОНАХ В УМОВАХ МАСОВОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Іванов Ігор Євгенович

Маріуполь - 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування” Приазовського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України (м. Маріуполь)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Новіков Федір Васильович, Харківський національний економічний університет, професор кафедри “Техніка і технології” (м. Харків).

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сизий Юрій Анатолійович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри “Технологія машинобудування і металорізальні верстати” (м. Харків)

кандидат технічних наук, доцент Воронцов Борис Сергійович, Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля, доцент кафедри “Технологія машинобудування” (м. Луганськ).

Захист відбудеться “25” червня 2008 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.052.03 в Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університета за адресою: 87500, м. Маріуполь, вул. Університетська, 7.

Автореферат розісланий “21” травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Гусєв Ю.В.

АНОТАЦІЇ

Іванов І.Є. Технологічне забезпечення точності і стабільності виготовлення різьбових отворів у балонах в умовах масового виробництва. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 ? технологія машинобудування. ? Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2008.

Дисертація присвячена розробці ефективного технологічного процесу виготовлення різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва. Для цього розроблена нова математична модель визначення похибок при механічній обробці отвору, яка враховує нерівномірність припуску, що знімається, і пружні переміщення в технологічній системі. Аналітично описані основні параметри силової напруженості процесу різання при свердлінні і розсвердлюванні (умовна напруга різання, коефіцієнт різання, складові сили різання), що дозволило теоретично обґрунтувати основні шляхи підвищення точності оброблюваного різьбового отвору в горловині балона.

На основі структурно-параметричного аналізу і синтезу розроблено ефективний технологічний процес механічної обробки різьбового отвору в горловині балона, в якому застосовуються нові технічні рішення: прогресивна схема базування ? по крайці торця горловини балона за допомогою базуючого конуса; розроблена конструкція спеціальної інструментальної головки, що забезпечує концентрацію переходів і створення чистової технологічної бази; розроблена система автоматизованого підналагодження зупинки робочого ходу інструментальної головки і спеціальне пристосування для її точного встановлення, кондуктор для підвищення жорсткості технологічної системи. Проведено експериментальні дослідження точності оброблених отворів методом математичної статистики і показано, що розроблений технологічний процес забезпечує підвищення точності оброблюваного отвору без збільшення часу обробки балона. Установлено, що при обробці по розробленому технологічному процесу лише у 1,31% оброблених отворів балонів було нарізано неякісне конічне різьблення, тоді як при обробці по базовому технологічному процесу виявлено 15,5% балонів з неякісно нарізаним різьбленням. Це дозволило значно зменшити втрати від браку по різьбленню, а розроблений технологічний процес ефективно впровадити у виробництво.

Ключові слова: технологічний процес, технологічний перехід, точність обробки, математична модель.

Иванов И.Е. Технологическое обеспечение точности и стабильности изготовления резьбовых отверстий в баллонах в условиях массового производства. ? Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. ? Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2008.

Диссертация посвящена разработке эффективного технологического процесса изготовления резьбовых отверстий в горловинах баллонов в условиях массового производства. В связи с этим разработана математическая модель определения погрешностей при механической обработке отверстия, основанная на учете неравномерности снимаемого припуска, возникающих в технологической системе упругих перемещений и аналитическом описании силы резания. Аналитически описана величина смещения оси обработанного отверстия относительно ее номинального положения и теоретически определены условия ее уменьшения. Они состоят в уменьшении условного касательного напряжения резания, увеличении жесткости технологической системы и угла сверла в плане, уменьшении несоосности обрабатываемого отверстия и режущего инструмента и применении многопереходной обработки. Аналитически описаны основные параметры силовой напряженности процесса резания при сверлении и рассверливании (условное напряжение резания, коэффициент резания, составляющие силы резания) с учетом переменности рабочего переднего угла сверла вдоль его лезвия вследствие различной длины винтовой линии, образованной точками лезвия. Это позволило определить длины участков лезвия, реализующие процесс резания и процесс упруго-пластического деформирования обрабатываемого металла без образования стружки; привести в соответствие теоретические и экспериментальные данные по параметрам силовой напряженности процессов сверления и рассверливания; определить условия уменьшения условного касательного напряжения резания и соответственно погрешностей обработки отверстия.

Теоретически определена жесткость технологической системы в радиальном направлении и условия ее увеличения, состоящие в увеличении жесткости сверла и обрабатываемого баллона.

На основе структурно-параметрического анализа и синтеза разработан эффективный технологический процесс механической обработки резьбового отверстия в горловине баллона, реализующий оптимальный маршрут обработки с применением новых технических решений: прогрессивной схемы базирования - по кромке торца горловины баллона с помощью базирующего конуса (обеспечивающего материализацию оси баллона); разработанной конструкции специальной инструментальной головки, обеспечивающей концентрацию переходов и создание чистовой технологической базы; разработанной системы автоматизированной подналадки останова рабочего хода инструментальной головки и специального приспособления для юстировки инструментальных головок, кондуктора для повышения жесткости технологической системы.

Проведен комплекс экспериментальных исследований параметров точности обработанных отверстий после рассверливания и зенкерования методом математической статистики. Установлено, что применение разработанного технологического процесса позволяет существенно уменьшить разброс значений параметров точности без увеличения времени обработки баллона. Эффект достигается за счет увеличения жесткости технологической системы и уменьшения несоосности горловины баллона и шпинделя инструментальной головки. Установлено, что при обработке по разработанному технологическому процессу лишь у 1,31% обработанных баллонов была нарезана некачественная коническая резьба, тогда как при обработке по базовому технологическому процессу выявлено 15,5% баллонов с некачественно нарезанной резьбой.

Теоретически определена длина хода метчика в направлении подачи, обеспечивающая формирование качественной конической резьбы. Произведен расчет припусков и оптимальных параметров режимов резания для каждого перехода, что позволило минимизировать время обработки для заданной стойкости режущих инструментов. Произведен также расчет параметров станочного приспособления, обеспечивающего устойчивость баллона в процессе обработки.

Разработанный технологический процесс механической обработки резьбовых отверстий в горловинах баллонов внедрен в ОАО “Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича”. Обеспечено повышение точности обработки отверстий и качества нарезанной в них конической резьбы без увеличения времени обработки баллона, существенно снижены потери от брака баллонов по резьбе и расход режущих инструментов.

Ключевые слова: технологический процесс, технологический переход, точность обработки, математическая модель.

Ivanov I.E. Technological providing of exactness and stability of making of the screw-thread openings in bulbs in the conditions of mass production. ? Manuscript.

Dissertation for the degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.02.08 ? technology of mashinebuilding. ? Priazovskiy state technical university, Mariupol, 2008.

The dissertation deals with the development of efficient technological process of screw-thread openings making in vessel mouths in mass production conditions. The basic parameters of citting process force intensity are analytically described at boring and counterboring (conditional tension of cutting, cutting coefficient, cutting forces components), that made it possible to give theoretical grounds to the main conditions of accuracy increase of the machined screw-thread openings in vessel mouths.

On the basis of structural and parametric analysis and synthesis the efficient Technological process of the screw-thread openings machining is developed in vessel mouths based on a new technical decisions: progressive design of the along the butt end edge of the vessel mouth by means of a basing cone (that provides for the materialization of the vessel axis); a new developed design of a special instrumental head that provides for the concentration base; a developed system of the automated subadjusting of the working stroke stop of the instrumental head and special device for the instrumental head alignment. Mathematical statistics method is used and it proves that the accuracy of the openings not increasing the machining time.

The developed technological process results in just 1,31 % reject as compared to 15,5 % reject according to reference technological process. These results make the developed technological process very profitable in industry.

Keywords: technological process, technological transition, exactness of treatment, mathematical model.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При виготовленні балонів в умовах масового виробництва на високопродуктивних автоматичних лініях виникає ряд складних задач зі забезпечення точності і стабільності механічної обробки отворів з конічним різьбленням у горловинах балонів, виготовлених із легованої сталі 30ХМА. Це пов'язано, по-перше, з необхідністю обробки отворів з початковою значною некруглістю (з нерівномірним припуском), що приводить до неврівноваженості сил різання, які діють на ріжучі леза інструменту, деформації елементів технологічної системи і виникненню значних похибок обробки. По-друге, складністю точної установки і базування габаритної заготовки балону при обробці. Застосування типових технологічних процесів обробки отворів із традиційним базуванням по зовнішній сферичній поверхні і торцю горловини балону не дозволило вирішити зазначені задачі. Втрати від браку у зв'язку з низькою якістю конічного різьблення в отворах залишаються високими ? на рівні 15%. Це вимагає пошуку нових технологічних рішень зі забезпечення точності і стабільності механічної обробки (в умовах виникнення випадкових похибок обробки), які полягають в науково-обґрунтованому виборі оптимального технологічного маршруту і параметрів технологічних переходів, прогресивної схеми базування заготовок балонів і т.д.

Поряд з підвищенням точності і стабільності обробки, важливо добитися збільшення продуктивності обробки за рахунок застосування прогресивних конструкцій інструментів і концентрації технологічних переходів. Для цього необхідно виконати комплекс теоретичних і експериментальних досліджень технологічних параметрів обробки отворів з конічним різьбленням. Розробити математичну модель визначення похибок при обробці отворів з урахуванням нерівномірності припуску, що знімається, і пружних переміщень у технологічній системі і установити основні умови підвищення точності та продуктивності обробки. Провести структурно-параметричний аналіз і синтез розглянутого технологічного процесу обробки на основі розробленої математичної моделі. У зв'язку із цим, в роботі вирішується важливе і актуальне народногосподарське завдання технологічного забезпечення точності і стабільності виготовлення різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва на високопродуктивних автоматичних лініях.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до наукового напряму кафедри “Технологія машинобудування” Приазовського державного технічного університету в рамках державної науково-дослідної роботи “Розробка наукових основ підвищення експлуатаційної надійності конструкцій машин і механізмів” (ДР № 0100U002587) і госпдоговірних робіт (ДР № 0104U005769, ДР № 0104U005770). Здобувач брав безпосередню участь у виконанні робіт як відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення точності механічної обробки різьбових отворів у балонах в умовах масового виробництва на основі теоретично обґрунтованого вибору оптимального маршруту обробки і параметрів технологічних переходів.

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені такі задачі:

? розробити математичну модель визначення похибок при механічній обробці отвору з урахуванням нерівномірності припуску, що знімається, і пружних переміщень у технологічній системі та установити основні умови підвищення точності оброблюваного отвору;

? на основі розробленої математичної моделі провести структурно-параметричний аналіз і синтез технологічного процесу механічної обробки різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва;

? теоретично обґрунтувати вибір прогресивної схеми базування заготовок балонів, оптимального технологічного маршруту і параметрів технологічних переходів обробки різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва;

? провести експериментальні дослідження параметрів точності обробки отворів і якості нарізування в них конічного різьблення з використанням методів математичної статистики, перевірити і уточнити теоретичні рішення по вибору технологічного маршруту і параметрів технологічних переходів;

? розробити і впровадити у виробництво новий ефективний технологічний процес механічної обробки різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва.

Об'єкт дослідження - технологічний процес механічної обробки різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва.

Предмет дослідження - теоретичне визначення умов підвищення точності обробки різьбових отворів у горловинах балонів на підставі обґрунтування та вибору прогресивної схеми базування заготовок балонів, оптимального маршруту обробки і параметрів технологічних переходів.

Методи дослідження. Були застосовані теоретичні методи, які базуються на фундаментальних положеннях технології машинобудування, теорії різання матеріалів, опору матеріалів, математичного аналізу, теорії ймовірностей і математичної статистики; математичне моделювання; експериментальні методи із застосуванням спеціальних пристосувань для виміру розмірів поверхонь горловини балона, калібрів, твердоміра 2110ТБ, профілографа-профілометра мод. 201.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні і розробці ефективного технологічного процесу механічної обробки різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва, що забезпечує підвищення точності і продуктивності обробки, істотно знижує втрати від браку, які мали місце у зв'язку з низькою якістю нарізування конічного різьблення в отворах, і базується:

? на розробленій новій математичній моделі визначення похибок при механічній обробці отвору, яка враховує нерівномірність припуску, що знімається, і пружні переміщення в технологічній системі, і виявлених на її основі умовах підвищення точності оброблюваного отвору;

? на вперше встановлених аналітичних залежностях для визначення основних параметрів силової напруженості процесів свердління і розсвердлювання отворів, які враховують умови утворення стружки при різанні і пружно-пластичне деформування металу без відділення стружки;

? на результатах досліджень параметрів точності обробки отворів у горловинах балонів і якості нарізування в них конічного різьблення та виявленому домінуванні випадкового фактора у формуванні похибок обробки;

? на результатах структурно-параметричного аналізу і синтезу досліджуваного технологічного процесу і теоретично обґрунтованому виборі прогресивної схеми базування заготовок балонів, оптимального технологічного маршруту і параметрів технологічних переходів;

? на нових технічних рішеннях по створенню спеціальної інструментальної головки для одночасної обробки поверхонь горловини балона, системи автоматизованого підналагодження зупинки робочого ходу інструментальної головки, кондуктора для підвищення жорсткості технологічної системи і спеціального пристосування для точного встановлення інструментальних головок.

Практична значимість отриманих результатів полягає в тому, що на основі розробленої математичної моделі, проведених теоретичних і експериментальних досліджень створено ефективний технологічний процес механічної обробки різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва, який забезпечує стабільне виконання вимог по точності обробки і фактично усуває втрати від браку у зв'язку з неякісним нарізуванням конічного різьблення в отворах без підвищення часу обробки балону на автоматичній лінії.

Розроблений технологічний процес впроваджений у ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча”, забезпечує якісне виготовлення балонів різного призначення.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі “Технологія машинобудування” Приазовського державного технічного університету.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що їм розроблена математична модель визначення похибок при обробці отвору з урахуванням нерівномірності припуску, що знімається, і пружних переміщень у технологічній системі. На основі розробленої математичної моделі проведено структурно-параметричний аналіз і синтез технологічного процесу механічної обробки різьбових отворів у балонах в умовах масового виробництва і теоретично обґрунтований вибір прогресивної схеми базування заготовки балону, оптимального технологічного маршруту і параметрів технологічних переходів. Проведено експериментальні дослідження параметрів точності обробки, розроблений і впроваджений у виробництво новий ефективний технологічний процес механічної обробки різьбових отворів у балонах на автоматичній лінії.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на XI, XII, XIII Міжнародних науково-технічних конференціях “Фізичні і комп'ютерні технології” (м. Харків, 2005-2007 р.р.), XIV і XV Міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” (м. Харків, 2006, 2007 р.р.), XV Міжнародному науково-технічному семінарі “Високі технології: тенденції розвитку” (м. Харків, м. Алушта, 2006 р.), IV, V і XI Регіональних науково-технічних конференціях Приазовського державного технічного університету (м. Маріуполь, 1997, 1998, 2004 р.р.), ІV і V Міжнародних науково-технічних конференціях “Сучасні інструментальні системи, інформаційні технології і інновації” (м. Курськ, Росія, 2006, 2007 р.р.). Роботу в повному обсязі заслухано та схвалено на розширеному науковому семінарі кафедри “Технологія машинобудування” Приазовського державного технічного університету (2008 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 13 наукових працях, у тому числі 7 наукових праць у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із введення, чотирьох розділів, висновків і дванадцяти додатків. Повний обсяг дисертаційної роботи становить 255 сторінок, з них 104 ілюстрації на 51 сторінці; 13 таблиць за текстом, 4 таблиці на 5 сторінках; 133 найменування використаних літературних джерел на 12 сторінках; 12 додатків на 38 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, в якій обґрунтована актуальність, новизна і практична значимість отриманих результатів, сформульовані мета і задачі досліджень. Показано особистий внесок здобувача у виконану роботу і результати апробації дисертації.

В першому розділі наведено аналіз базового технологічного процесу механічної обробки отворів з конічним різьбленням у горловинах балонів і показана його низька ефективність у плані забезпечення точності і стабільності обробки, що приводить до значних втрат від браку (15,5%). Виявлено основні причини неякісного нарізування конічного різьблення. Вони складаються, по-перше, у тім, що в процесі закатування (методами пластичного деформування) горловини балону утворюється отвір діаметром 6...16 мм початкової значної некруглості (рис. 1), по-друге, у складності точної установки балону на верстаті в умовах масового виробництва. Це приводить до неспіввісності балону і шпинделя верстату, збільшення нерівномірності припуску, що знімається. В результаті порушується рівновага сил різання, що діють на ріжучі леза осьового багатолезового інструмента, деформуються елементи технологічної системи і виникають різного роду похибки обробки отвору, які важко усунути на переходах розсвердлювання, зенкерування і розгортання, що передують переходу нарізування конічного різьблення мітчиком. Виходячи із цього, зроблено висновок про необхідність підвищення точності обробки отвору на переходах, що передують переходу нарізування конічного різьблення, за рахунок зменшення або навіть вилучення випадкових похибок обробки, обумовлених пружними переміщеннями в технологічній системі. Для рішення даної задачі важливо математично виразити величину пружного переміщення через параметри обробки і теоретично обґрунтувати найбільш ефективні шляхи його зменшення, що властиво, і повинно стати основою розробки нового прогресивного технологічного процесу виготовлення отворів з конічним різьбленням у горловинах балонів. Однак, аналіз літературних джерел показав, що величина пружного переміщення, як функція сили різання, традиційно математично описується у вигляді емпіричних залежностей, які в порівнянні з аналітичними залежностями не дають загального уявлення про технологічні можливості процесу обробки і значно звужують діапазон можливих рішень. Тому важливо розробити математичну модель визначення величини пружного переміщення в технологічній системі і відповідно похибок обробки на основі аналітичного опису сили різання при механічній обробці отвору. Це дозволить зробити науково-обґрунтований структурно-параметричний аналіз і синтез технологічного процесу, вибір оптимального маршруту і параметрів обробки, прогресивну схему базування заготовок балонів і в цілому ? розробити ефективний технологічний процес виготовлення отворів з конічним різьбленням у горловинах балонів. Мета і задачі досліджень сформульовані з вищезазначеного.

В другому розділі наведена розроблена математична модель визначення похибок при механічній обробці отвору з початковою значною некруглістю і теоретично обґрунтовані умови їхнього зменшення. Для цього аналітично описана величина зміщення осі обробленого отвору відносно її номінального положення Д (рис. 2), яка дорівнює величині пружного переміщення, що виникає в технологічній системі внаслідок порушення умови рівноваги радіальних складових сил різання, що діють на ріжучі леза осьового багатолезового інструменту (наприклад, свердла при розсвердлюванні отвору):

При цьому теоретично встановлено, що виникаюча при розсвердлюванні похибка форми оброблюваного отвору визначається величиною Дt та її проекціями Дt_y і Дt_x на координатні осі, які в загальному виді описуються залежностями:

Очевидно, найбільші значення величин Дt_y = Д₀ (при б =45⁰) і Дt_x = 2Д₀ (при б=0) відрізняються у два рази, а найменше значення Дt_y (при =90⁰) дорівнює нулю, тобто найменший діаметр обробленого отвору дорівнює діаметру свердла. Цим показано, що найбільше і найменше значення діаметрів обробленого отвору будуть різні.

Із залежності (2) також витікає, що найбільше значення Дt досягається при умові б=0 і дорівнює 2Д₀. На основі даної умови визначена залежність (1), яка у явному вигляді не містить складові сили різання. Замість них у залежність входять параметри силової напруженості процесу різання у і К_різ, які виражаються через параметри обробки. Це дозволяє по-новому підійти до виявлення і обґрунтування умов зменшення величини Д, і відповідно до вибору прогресивної схеми базування заготовки балону, оптимального маршруту обробки і параметрів технологічних переходів. Заслуговує на увагу той факт, що величини Д і Дt не залежать від діаметрів оброблюваного d і обробленого d отворів, а в узагальненому виді визначаються Д₀.

Виходячи із залежності (1), основними умовами зменшення похибки обробки Д є зменшення параметрів у/К_різ, Д₀ і збільшення ц, с, рис. 3. Очевидно, зменшення величини Д за рахунок зменшення подачі S не зовсім ефективно, тому що вимагає зниження продуктивності обробки. Для оцінки значимості кожного із зазначених вище умов і можливостей практичної реалізації в роботі проведено їхній детальний аналіз. На першому етапі було досліджено відношення у/К_різ =Р₀/S_зріз, що за аналогією з умовною (по суті, нормальною) напругою різання у = Р_z/S_зріз визначає умовне дотичне напруження різання. Для цього отримані аналітичні залежності для визначення параметрів у, К_різ і у/К_різ при свердлінні, тобто при зміні поточного значення радіусу свердла R_i в межах 0... R:

Із залежностей (3) витікає, що зменшити відношення у/К_різ і відповідно величину Д можна за рахунок збільшення коефіцієнта різання К_різ, що зменшується зі збільшенням поточного значення радіусу свердла R_i, рис. 4,а. Оскільки коефіцієнт різання К_різ ? позитивна величина, то, виходячи із залежностей (3), процес різання може здійснитися за умови R_i >S/2р^.f. За умови R_i ?S/2р^.f має місце лише пружно-пластичне деформування оброблюваного металу без утворення стружки, що охоплює відносно невелику зону (R_i<1 мм). Цим власно і пояснюється необхідність створення на свердлах конусів і перемичок, які дозволяють перевести метал із зони пружно-пластичного деформування в зону різання, а потім видалити його.

Розрахунками встановлено, що зі збільшенням R_i у діапазоні R_i >S/2р^.f відношення у/К_різ не залишається постійним, а збільшується, рис. 4,б. Це пов'язано зі змінністю робочого переднього кута свердла уздовж його леза внаслідок різної довжини гвинтової лінії, утвореної точками леза. Причому, зі збільшенням R_i інтенсивність росту у/К_різ істотно зменшується. Отже, при розсвердлюванні отвору у/К_різ в першому наближенні можна розглядати постійним, що не залежить від R_i, а визначається залежністю (3) за умови R_i=R. Зменшити у/К_різ, виходячи із залежності (3), можна збільшенням К_різ шляхом збільшення подачі S і зменшення коефіцієнта тертя f. Цим показано, що S неоднозначно впливає на величину у, яка визначається залежністю (1). Також розрахунками встановлено, що в остаточному підсумку зі збільшенням подачі S величина Д збільшується, однак з інтенсивністю нижче лінійної залежності. Таким чином, обґрунтовані можливості зменшення величини Д за рахунок зменшення у/К_різ.

В роботі отримані залежності для визначення тангенціальної Р_z, радіальної Р_у і осьової Р_х складових сили різання при розсвердлюванні, розглядаючи у/К_різ незалежним від R_i, що визначається залежністю (3) за умови R_i=R:

Отримані також аналітичні залежності для визначення радіальної Р_у і осьової Р_х складових сили різання при свердлінні і їх рівнодіючої з урахуванням змінності відношення у/К_різ від R_i:

Як видно, складові сили різання тим менше, чим менше параметри у_ст, S, f і R. Збільшення кута ц призводить до зменшення Р_у і збільшення Р_х. Це погодиться з відомими експериментальними даними і свідчить про можливість зменшення величини Д за рахунок регулювання напрямком дії сили різання при свердлінні. Новим у даному розрахунку є те, що враховано змінність переднього кута г уздовж леза свердла і відповідно змінність силової напруженості процесу різання, яка описується параметрами у і К_різ. Далі в роботі обґрунтовані можливості зменшення величини Д відповідно до залежності (1) за рахунок збільшення жорсткості технологічної системи с і величини Д₀. Для цього отримана аналітична залежність для визначення с = 1/(1/с₁+1/с₂), де с₁, с₂? жорсткості свердла і оброблюваного балона в радіальному напрямку, Н/м. Як видно, с однаковою мірою залежить від параметрів с₁ і с₂. Із урахуванням специфіки кріплення свердла і оброблюваного балону, збільшити с можна за умови с₂ >с₁. Це досягається застосуванням ефективної схеми базування заготовки балону, що забезпечує як збільшення с, так і зменшення величини Д₀. В цьому випадку с буде визначатися головним чином жорсткістю свердла с₁=0,033^.Е^.d⁴/l³, де d, l - діаметр і довжина виступаючої частини свердла, м; Е модуль пружності матеріалу свердла, Н/м². Як видно, за рахунок зміни параметрів d, l (які входять у залежність із великими ступенями) можна істотно збільшити жорсткість c₁, зменшити прогин свердла і тим самим підвищити точність обробки отвору.

В роботі обґрунтована ефективність застосування схеми базування балону по крайці торця його горловини (утвореної перетинанням зовнішньої циліндричної і торцевої поверхонь горловини балону). Показано, що вона дозволяє збільшити жорсткість кріплення балону, фактично вилучити похибки базування і пружні переміщення горловини балону в радіальному напрямку. Для її здійснення необхідно забезпечити перпендикулярність зовнішньої циліндричної і торцевої поверхонь горловини балону шляхом сполучення їхньої обробки. Необхідно також сполучити обробку зовнішньої і внутрішньої циліндричних поверхонь горловини балону з метою забезпечення їхньої концентричності. Для цього доцільно застосування спеціальної інструментальної головки, що містить свердло, прохідний і підрізний різці.

При даній схемі базування буде виникати відхилення щ_с торця горловини балону в осьовому напрямку (рис. 5), що призведе до розкиду діаметрів отворів на переходах обробки конічним зенкером і конічною розгорткою. Усунути виникаюче відхилення можна застосуванням системи автоматизованого підналагодження зупинки робочого ходу інструментальної головки. Встановлено, що щ_с = Td/2tg(б/2), де Td- допуск на зовнішній діаметр, м; б - кут базуючого конуса. Тому забезпечити задане значення Td можна зменшенням величини пружного переміщення y, що виникає в технологічній системі при поздовжньому точінні циліндричної поверхні горловини балону, згідно залежності:

Це досягається збільшенням жорсткості технологічної системи c шляхом застосування спеціальної конструкції кондуктора і збільшенням коефіцієнта різання К_різ при поздовжньому точінні (головним чином за рахунок збільшення переднього кута різця г до значення умовного кута тертя ш оброблюваного металу з передньою поверхнею різця), а також зниженням нерівномірності припуску, що знімається, (глибини різання t) і зменшенням подачі S.

В третьому розділі виконано структурно-параметричний аналіз і синтез технологічного процесу механічної обробки різьбового отвору в горловині балону, що дозволило остаточно вибрати оптимальний маршрут і параметри обробки, прогресивну схему базування заготовки балону. Для цього зроблено оцінку впливу нерівномірності припуску, тобто величини Д₀ у відповідності до залежності (1), на параметри точності обробки отворів із застосуванням методу математичної статистики. У зв'язку із цим, за допомогою спеціально розроблених контрольних пристосувань для виміру радіального биття циліндричної і сферичної частини горловини 70 мм щодо циліндричної частини балону були визначені відхилення осі горловини від осі циліндричної частини балону і відхилення осі циліндричної частини балону від осі шпинделя інструментальної головки, тобто величини Д₀. В результаті встановлено, що відхилення осі горловини від осі циліндричної частини балону, яке визначає точність заготовки балону, складає 0,2...1,0 мм. Це значно менше, ніж відхилення осі циліндричної частини балону від осі шпинделя інструментальної головки, яке складає 0,8...2,2 мм. Отже, основною причиною появи нерівномірного припуску і відповідно утворення некруглості отвору при розсвердлюванні є неспіввісність циліндричної частини балону і шпинделя інструментальної головки, усунути яку можна застосуванням більш прогресивної схеми базування заготовки балону, наприклад, тієї, що описана в другому розділі роботи.

Були виконані виміри найменшого D_0min і найбільшого D_0max діаметрів отворів і їх різниці ДD після розсвердлювання свердлом 22 мм зі сталі Р6М5 в 50-ти балонах по базовому технологічному процесу (S=0,28 мм/об; V=22 м/хв). Встановлено, що діапазони розкиду значень D_0min і D_0max відрізняються, рис. 6. При цьому, значення D_0min концентруються в основному в інтервалі 21,9...22,1 мм, що відповідає діаметру свердла. Це збігається з теоретичними результатами, які випливають із залежностей (2), і свідчить про те, що після розсвердлювання мають місце значні похибки розміру і форми оброблених отворів.

Були також виконані виміри величини відхилення від співвісності горловини балону (діаметром 48 мм) і отвору в ньому (діаметром 22 мм) після розсверд-

лювання і зенкерування конічним зенкером АМ 14977-500 зі сталі Р6М5 22/25 мм із конусністю 2tg/2=3:25, =65136; S=0,7мм/об; V=12 м/хв, рис. 7. Встановлено, що діапазон розкиду значень даної величини після розсвердлювання приблизно такий самий, як і різниці найбільшого діаметра D_0max обробленого отвору і діаметру свердла. В обох випадках значення зазначених величин концентруються в основному в діапазоні 0,2...0,7 мм. Отже, у першому наближенні величину відхилення від співвісності горловини балону і отвору в ньому після розсвердлювання можна розглядати рівною різниці найбільшого діаметра D_0max обробленого отвору і діаметра свердла, що обумовлено виникаючим в технологічній системі пружним переміщенням величиною Д. Це погоджується з отриманими теоретичними результатами і свідчить про вірогідність розробленої математичної моделі формування похибок отвору при механічній обробці.

З рис. 7 випливає, що після розсвердлювання утворюється отвір зі значною некруглістю, яку складно усунути на наступному технологічному переході зенкерування. При цьому встановлено, що необхідна якість нарізування конічного різьблення досягається при відхиленні осі горловини балону від осі отвору (після зенкерування) не більше ніж на 0,4 мм. При порушенні цієї умови частина оброблених балонів буде забракована по одному з параметрів конічного різьблення.

На рис. 7,б заштрихованим показаний відсоток браку балонів, що дорівнює 15%. Тому для зниження відсотка браку балонів по якості нарізування конічного різьблення варто зменшити відхилення осі горловини балону від осі отвору при розсвердлюванні не менш ніж на 0,4 мм, а при зенкеруванні не менш, ніж на 0,3 мм, що забезпечується застосуванням більш ефективної схеми базування балону.

Експериментальні дані по точності обробки отворів добре погоджуються з відповідними експериментальними даними по якості нарізування конічного різьблення (S=1,814 мм/об; V=8,5 м/хв). Так, в 1670 оброблених балонів по базовому технологічному процесу виявлено 15,5% балонів з неякісно нарізаним різьбленням, що відповідає заштрихованій частині на рис. 7,б. Визначено основні види дефектів різьблення в кількісному вираженні: “рване різьблення” (4,31%), ослаблене (2,84%) і туге (2,75%) різьблення, неповний профіль різьблення (2,27%), поломка мітчика (3,35%). Показано, що однією з причин появи дефектів різьблення, поряд з нерівномірністю припуску, що знімається, є значний розкид діаметрів отворів на переходах зенкерування та нарізування різьби мітчиком, який обумовлений розкидом координати положення основної площини конічного отвору в осьовому напрямку. У зв'язку із цим, для визначення умов якісного конічного різьблення, в роботі теоретично визначена довжина ходу мітчика в напрямку подачі. Аналітично встановлено зв'язок координати положення основної площини конічного отвору в осьовому напрямку з кількістю витків конічного різьблення. Теоретично показано, що забезпечення заданої точності положення основної площини конічного отвору в осьовому напрямку в межах 0,15 мм дозволяє нарізати 9?10 витків різьблення і виконати вимоги по якості виготовлення.

На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено ефективний технологічний процес механічної обробки різьбового отвору в горловині балону (рис. 8), що реалізує оптимальний маршрут обробки із застосуванням нових технічних рішень: прогресивної схеми базування ? по крайці торця горловини балону за допомогою базуючого конуса; розробленої конструкції спеціальної інструментальної головки, що містить свердло, прохідний і підрізний різці та забезпечує концентрацію переходів і створення чистової технологічної бази; розробленої системи автоматизованого підналагодження зупинки робочого ходу інструментальної головки і спеціального пристосування для її точного встановлення. Для підвищення жорсткості технологічної системи і точності обробки, а також зниження навантаження на напрямні силового стола розроблена конструкція кондуктора, що сприймає реакції сил різання. Робота інструментальної головки з використанням кондуктора дозволила зменшити вібрації і відхилення осі шпинделя щодо осі оброблюваного отвору.

Розроблений оптимальний маршрут обробки включає п'ять переходів: на першому переході виконується одночасна обробка поверхонь, що забезпечують базування горловини балону, на другому, третьому і четвертому переходах ? розсвердлювання, зенкерування і розгортання отвору, на п'ятому ? нарізування в отворі конічного різьблення. У відповідності із залежністю (1), розроблений технологічний процес забезпечує підвищення точності оброблюваного отвору за рахунок збільшення жорсткості технологічної системи і зменшення величини відхилення між осями Д₀ оброблюваного і обробленого отворів, тобто зменшення неспіввісності горловини балону і шпинделя інструментальної головки.

В роботі зроблено розрахунок припусків і оптимальних параметрів режимів різання для кожного переходу, що дозволило мінімізувати час обробки для заданої стійкості різальних інструментів. Розраховано параметри верстатного пристосування, що забезпечує стійкість заготовки в процесі обробки (діаметр пневматичного циліндра).

Проведено комплекс експериментальних досліджень параметрів точності отворів, оброблених на переходах розсвердлювання і зенкерування по розробленому технологічному процесі (рис. 9). Встановлено, що розкид значень параметрів точності при обробці за розробленим технологічним процесом значно менше, ніж при обробці за базовим технологічним процесом (рис. 7). Це свідчить про вірогідність розробленої в роботі математичної моделі визначення похибок при обробці отвору і ефективність запропонованого технологічного процесу обробки.

Таблиця 1. Результати контролю різьблення W 27.8 ДСТ 9909-81 у балонах, оброблених за базовим і розробленим технологічними процесами

Виконано експериментальну оцінку якості нарізаного конічного різьблення в отворах партії балонів за розробленим технологічним процесом обробки. Встановлено, що з 1670 оброблених балонів лише в 22 балонах (а це 1,31% загальної кількості балонів) було нарізано неякісне конічне різьблення, табл. 1. Відповідно до базового технологічного процесу, з 1670 оброблених балонів неякісно нарізане різьблення виявилося в 260 балонах (15,5%). Отже, застосування нового технологічного процесу дозволило в 11,83 рази зменшити втрати від браку по різьбленню і привести їх до економічно прийнятного для виробництва рівня ? 1,31%. При цьому час обробки одного балону на автоматичній лінії залишився таким же як і в базовому технологічному процесі.

В четвертому розділі наведені результати створення промислової технології механічної обробки різьбових отворів у горловинах балонів в умовах масового виробництва в балонному цеху ВАТ “Маріупольський металургійний комбінат ім. Ілліча”. Показано, що вона реалізується на тім же обладнанні, що й базова технологія після внесення відповідних конструкторських і технологічних змін. Дано загальну технічну характеристику розробленої технології і показані переваги її застосування, що складаються в підвищенні точності обробки отворів і якості нарізаного в них конічного різьблення без збільшення часу обробки балону. Зроблено оцінку економічної ефективності від її впровадження у виробництво. Відзначається, що вона визначається двома складовими: економічною ефективністю від зменшення кількості бракованих балонів і поламаних мітчиків.

механічний різьбовий отвір балон

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі на основі отриманих нових науково-обґрунтованих результатів вирішене важливе і актуальне науково-практичне завдання розробки ефективного технологічного процесу механічної обробки різьбових отворів у балонах в умовах масового виробництва, що забезпечує підвищення точності і продуктивності обробки, істотно знижує втрати від браку, які мали місце у зв'язку з низькою якістю нарізування конічного різьблення в отворах.

1. Розроблено математичну модель визначення похибок при механічній обробці отвору, яка заснована на урахуванні нерівномірності припуску, що знімається, а також виникаючих у технологічній системі пружних переміщень і аналітичному описі сили різання. Встановлено, що в узагальненому виді похибки обробки отвору можуть бути аналітично описані величиною зміщення осі обробленого отвору відносно її номінального положення. У зв'язку із цим, отримана аналітична залежність для визначення даної величини і теоретично встановлені умови її зменшення. Вони полягають в зменшенні умовного дотичного напруження різання, збільшенні жорсткості технологічної системи і кута свердла в плані, зменшенні неспіввісності оброблюваного отвору і різального інструменту і застосуванні обробки в декілька переходів.

2. Аналітично описана виникаюча при розсвердлюванні похибка форми отвору, що обумовлена різницею глибин різання, які припадають на обидва леза свердла. Теоретично встановлено, що похибки обробки отвору по двох взаємно перпендикулярних осях відрізняються і визначаються головним чином величиною відхилення між осями оброблюваного отвору горловини балона і свердла. Цим показано, що при розсвердлюванні отвору із припуском, що знімається нерівномірно, мають місце значні похибки розміру і форми обробленого отвору, усунути які можна на наступних переходах фінішної обробки.

3. Аналітично описані основні параметри силової напруженості процесу різання при свердлінні і розсвердлюванні (умовна напруга різання, коефіцієнт різання, складові сили різання) з урахуванням змінності робочого переднього кута свердла уздовж його леза внаслідок різної довжини гвинтової лінії, утвореної точками леза. Це дозволило, по-перше, визначити довжини ділянок леза, що реалізують процес різання і процес пружно-пластичного деформування оброблюваного металу без утворення стружки. По-друге, привести у відповідність теоретичні та експериментальні дані по параметрах силової напруженості процесів свердління і розсвердлювання. По-третє, визначити умови зменшення умовного дотичного напруження різання і відповідно похибок обробки отвору, які полягають у збільшенні коефіцієнта різання, рівного відношенню тангенціальної складової сили різання до рівнодіючої нормальної і осьової складових сили різання.

4. Аналітично визначена жорсткість технологічної системи в радіальному напрямку і показано, що вона однаковою мірою залежить від жорсткостей свердла і горловини оброблюваного балону в радіальному напрямку. Із цього зроблено висновок про те, що домогтися збільшення жорсткості технологічної системи можна за умови значного перевищення жорсткості горловини оброблюваного балону над жорсткістю свердла. Це досягається застосуванням ефективної схеми базування заготовки балону. Жорсткість технологічної системи в цьому випадку буде визначатися жорсткістю свердла, яка залежить від його довжини і діаметра.

5. Теоретично обґрунтована ефективність застосування схеми базування заготовки балону по крайці, утвореної перетинанням зовнішньої циліндричної і торцевої поверхонь горловини балону. Вона підвищує жорсткість горловини балону, фактично виключає похибки базування в радіальному напрямку, а виникаюче відхилення торця балону в осьовому напрямку дозволяє досить просто усунути застосуванням системи автоматизованого підналагодження зупинки робочого ходу інструментальної головки. Показано, що для здійснення даної схеми базування необхідно забезпечити перпендикулярність зовнішньої циліндричної і торцевої поверхонь, а також концентричність зовнішньої і внутрішньої циліндричних поверхонь горловини балона шляхом сполучення їхньої обробки. Це досягається застосуванням спеціальної інструментальної головки, що містить свердло, прохідний і підрізний різці.

6. На основі структурно-параметричного аналізу і синтезу розроблено ефективний технологічний процес механічної обробки різьбового отвору в горловині балону, що реалізує оптимальний маршрут обробки із застосуванням нових технічних рішень: прогресивної схеми базування ? по крайці торця горловини балону за допомогою базуючого конуса, який забезпечує матеріалізацію осі балону; розробленої конструкції спеціальної інструментальної головки, що забезпечує концентрацію переходів і створення чистової технологічної бази; розробленої системи автоматизованого підналагодження зупинки робочого ходу інструментальної головки і спеціального пристосування для її точного встановлення, кондуктора для підвищення жорсткості технологічної системи.

7. Проведено комплекс експериментальних досліджень похибок базування балонів та оброблених в них отворів. Встановлено, що відхилення осі циліндричної частини балону від осі шпинделя інструментальної головки в базовому технологічному процесі досягає значної величини 0,8...2,2 мм, що є основною причиною появи нерівномірного припуску. Доведено, що величина відхилення від співвісності горловини балону і отвору в ньому після розсвердлювання і різниця найбільшого діаметра обробленого отвору і діаметра свердла фактично рівні. Це погодиться з теоретичними результатами і свідчить про вірогідність розробленої математичної моделі формування похибок отвору при механічній обробці, яка враховує нерівномірність припуску, що знімається, і пружні переміщення в технологічній системі. Встановлено, що застосування розробленого технологічного процесу дозволяє значно зменшити розкид значень параметрів точності обробки.