Удосконалення технологічного забезпечення пластичного формоутворення різьб на гайках в умовах масового виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

Спеціальність 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском

УДК 621.9.06-52

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПЛАСТИЧНОГО ФОРМОУТВОРЕННЯ РІЗЬБ НА ГАЙКАХ В УМОВАХ МАСОВОГО ВИРОБНИЦТВА

КРАЛІН АНДРІЙ

КОСТЯНТИНОВИЧ

Краматорськ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури (ДонНАБА, м. Макіївка) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Матвієнко Андрій Васильович, Донецький національний технічний університет, доцент кафедри «Технологія машинобудування»

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Бейгельзімер Яків Юхимович, Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України, головний науковий співробітник кандидат технічних наук, доцент Кулик Олександр Миколайович, Донбаська державна машинобудівна академія, доцент кафедри «Автоматизовані металургійні машини і обладнання»

Захист відбудеться «25» березня 2009 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 в Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й корпус, ауд. 1319).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розісланий «23» лютого 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 Ю. К. Доброносов

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з основних напрямків машинобудування є широке впровадження ресурсозберігаючих технологій. Процеси обробки металів тиском найбільшою мірою відповідають цьому напрямку, оскільки забезпечують безвідходне виробництво деталей різної конфігурації. Зазначене повною мірою стосується виробництва гайок з кольорових металів та їх сплавів. Традиційно такі вироби отримують на гайковирубувальних автоматах, а також обробкою різанням, що супроводжується значною втратою металу в стружку.

Перспективнішим є метод пластичного формоутворення внутрішньої різьби безстружковими мітчиками, який є високопродуктивним. До недоліків такого способу слід віднести неможливість отримання різьби на поверхнях деталей з товщиною стінки менше двох кроків різьби. Разом із цим, існує спосіб пластичного формоутворення внутрішньої різьби і зовнішньої поверхні деталі радіальним обтисканням і редукуванням в жорсткій матриці. Проте складність конструкції штампів не дозволяє широко використовувати цей метод при масовому виробництві.

Збільшення продуктивності та якості виготовлення різьбових виробів способом холодного витискання можливе на основі застосування високопродуктивних технологічних систем безперервної дії, до числа яких відносять роторні і роторно-конвеєрні машини і лінії.

Незважаючи на численні дослідження в галузі розрахунку і проектування подібного роду систем, до сьогодні відсутні рекомендації щодо проектування елементів роторних машин, схильних до дії періодичних імпульсних навантажень підвищеного рівня, які формують динамічний стан пристрою з урахуванням специфіки процесу витискання різьбового профілю.

Для підвищення ефективності виготовлення гайок процесами холодного об'ємного штампування в умовах масового виробництва необхідно, перш за все, удосконалювати технологічне забезпечення в частині розробки технології холодного витискання різьби стосовно високопродуктивних систем динамічного імпульсно-силового навантаження, а також обґрунтувати загальнотеоретичні положення до визначення силових чинників, що складе основу інженерної методики проектування і розрахунку роторних пристроїв.

Зазначене свідчить про актуальність проведення теоретичних і експериментальних досліджень процесу пластичного формоутворення різьби на внутрішній поверхні гайок і розробки практичних рекомендацій щодо проектування технологічного обладнання на базі роторних машин для виробництва різьбових виробів методом холодного об'ємного штампування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках наукових досліджень за держбюджетною темою Донбаської національної академії будівництва і архітектури на замовленням Міністерства освіти і науки України К-2-15-01 - «Розробка наукових основ модернізації будівельних машин» (№ держ. реєстрації 0102U002846), де автор був виконавцем.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності виготовлення гайок в умовах масового виробництва на основі розвитку методик розрахунку і розробки практичних рекомендацій щодо вдосконалення технології і обладнання процесу холодного об'ємного штампування з використанням роторних систем імпульсно-силового навантаження.

Для досягнення поставленої мети в роботі сформульовано основні задачі:

- виявити діапазон ефективного використання процесів холодного витискання стосовно виготовлення гайок в умовах масового виробництва і уточнити закономірності на основі математичної моделі напружено-деформованого стану заготовки гайки при формоутворенні внутрішньої різьби з використанням імпульсно-силового навантаження;

- на підставі експериментальних досліджень оцінити якість і встановити ступені точності різьби, отримуваної при холодному об'ємному штампуванні;

- проаналізувати вплив початкових технологічних параметрів процесу формоутворення різьбового профілю холодним об'ємним штампуванням із застосуванням роторних систем імпульсно-силового навантаження і розробити практичні рекомендації щодо вдосконалення технологій і обладнання процесу холодного об'ємного штампування з використанням роторних систем імпульсно-силового навантаження;

- розробити математичну модель динамічного стану роторного пристрою при періодичному багатоцикловому імпульсно-силовому навантаженні для визначення діючих навантажень на вантажотримальні елементи пристрою і динамічну стійкість системи, яка безпосередньо впливає на точність готового виробу;

- сформулювати практичні рекомендації і запровадити в практику проектування методику і програмні засоби для розрахунку раціональних параметрів технологій і обладнання для пластичного формоутворення різьбових виробів в умовах імпульсно-силового навантаження.

Об'єкт дослідження. Технології і обладнання процесів холодного об'ємного штампування при виробництві гайок.

Предмет дослідження. Закономірності, що характеризують напружено-деформований стан металу при формоутворенні внутрішніх різьб при використанні роторних машин імпульсно-силового навантаження.

Методи дослідження. В основу теоретичних досліджень були покладені методи теорії пружності і пластичності, методи теоретичної механіки, методи теорії динаміки і міцності обладнання, а також методи теорії дослідження операцій, які включають постановку і розв'язання задач автоматизованого розрахунку і проектування.

Експериментальні методи були засновані на фізичному моделюванні процесу формоутворення різьби при імпульсно-силовому навантаженні заготовки, вимірюванні геометричних характеристик і механічних властивостей деталі.

Наукова новизна отриманих результатів:

- набула подальшого розвитку математична модель напружено-деформованого стану металу при пластичному формоутворенні внутрішньої різьби в процесі холодного об'ємного штампування, яка дозволяє визначити силові режими деформації з урахуванням впливу геометричних параметрів різьблення і заготовки, коефіцієнта заповнення профілю різьби і умов зовнішнього тертя;

- вперше стосовно процесів витискання внутрішньої різьби на основі результатів теоретичних та експериментальних досліджень виявлені основні закономірності пластичного течення металу і отримані кількісні оцінки точності і механічних властивостей гайок, виготовлених з використанням способу холодного об'ємного штампування;

- вперше на основі розробленої математичної моделі роторного пристрою, встановлений характер динамічних явищ, які виникають при витисканні різьбового профілю і негативно позначаються на стабільності перебігу процесу холодного об'ємного штампування.

Практична цінність отриманих результатів:

- розроблені нові технологічні схеми пластичного формоутворення внутрішніх різьб в умовах масового виробництва гайок і запропоноване нове конструктивне виконання роторного пристрою;

- розроблений спосіб отримання різьбового профілю в порожнистих циліндрових деталях шляхом пластичного формоутворення, який дозволяє знизити витрату матеріалу заготовки до 50 %, при цьому міцність отримуваних виробів підвищується на 15…20 %;

- розроблено інженерну методику оцінки динамічного стану роторних систем імпульсно-силового навантаження, яка дозволяє на стадії проектування виявити «шкідливі» динамічні дії на систему, а також рекомендації щодо їх усунення;

- розроблено програмні засоби для розрахунку і проектування роторного пристрою імпульсно-силового навантаження для холодного об'ємного штампування різьб на гайках в умовах масового виробництва.

Результати роботи у вигляді практичних рекомендацій і програмних засобів упроваджені на ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод» при виробництві дослідно-промислової партії накидних гайок з алюмінію АД1 і міді М1.

Окремі розробки використовуються в Донбаській національній академії будівництва і архітектури в рамках лекційних курсів, а також курсових і дипломних проектів студентів і магістерських випускних робіт.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційну роботу автор виконував самостійно, включаючи розробку математичних моделей і програмних засобів, їх налагодження і чисельну реалізацію, вибір методів і проведення експериментальних досліджень, аналіз отриманих результатів, а також формулювання висновків і практичних рекомендацій.

У анотаціях до списку опублікованих робіт за темою дисертації подано внесок здобувача в роботи, виконані в співавторстві.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися і обговорені на міжнародних конференціях: «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (г. Севастополь, 1999), «Прогрессивные технологии машиностроения и современность» (г. Донецк, 1999), «Международная конференция машиностроителей» (г. Кишинев, 2001), «Международная научно-техническая конференция» (г. Брянск, 2001), «Физика и техника высоких давлений» (г. Донецк, 2002), «Прогрессивные технологии и системы машиностроения» (г. Донецк, 2001, 2002, 2003, 2004, 2006), «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2007), «Физико-механические проблемы формирования структуры и свойств материалов методами обработки давлением» (г. Краматорск, 2007), «Інформаційні технології в обробці тиском (дослідження, проектування та освоєння процесів і машин)» (г. Краматорськ, 2008). Результати роботи доповідалися в Донбаській національній академії будівництва і архітектури, у повному обсязі дисертація була розглянута на об'єднаних наукових семінарах в Донецькому національному технічному університеті (2007) і в Донбаській державній машинобудівній академії (2008).

Публікації. Матеріали і основні положення дисертації опубліковано в 10 друкованих роботах, з яких 6 робіт - в спеціалізованих наукових виданнях з переліку ВАК України. Отриманий патент України на спосіб утворення різьбового профілю в порожнистих циліндрових деталях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел і додатків. Повний обсяг роботи - 204 сторінки, зокрема 140 сторінок основного тексту, 79 рисунків, 1 таблиця, перелік використаних джерел із 128 найменувань на 12 сторінках, 4 додатки на 20 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертації, сформульовані мета і задачі досліджень, виділені основні наукові положення і закономірності, які отримані автором і мають наукову і практичну цінність.

Технологічні способи, конструктивні особливості обланання і методи розрахунків процесу виготовлення гайок в умовах масового виробництва (стан питання)

На підставі вивчення відомих робіт І. С. Алієва, С. І. Губкіна, В. О. Євстратова, О. З. Журавльова, О. М. Іванова, А. В. Матвієнка, О. В. Нахайчука, А. Г. Овчиннікова, В. А. Огороднікова, М. В. Сторожева, І. Я. Тарновського, О. Д. Томленова, Л. О. Шофмана та інших учених показано, що на сьогодні ефективним методом пластичного формоутворення є холодне витискання. Щодо холодного витискання внутрішньої різьби на виробах з обмеженою товщиною стінки в роботах В. О. Євстратова і Г. В. Сопілкіна вказані способи радіального обтискання і редукування в жорсткій матриці, які дозволяють одночасно формувати зовнішній контур деталі і внутрішню різьбу. У цих роботах аналітично визначені умови повного заповнення профілю різьби, обґрунтовані енергосилові параметри процесу і параметри напружено-деформованого стану заготовки. Експериментально показана висока ефективність цих способів. Різьба, яка отримується способами радіального обтискання і редукуванням, відповідає середній і грубій точності малої і середньої довжини згвинчування, її міцність в середньому в 2 рази вища, ніж у нарізаної.

Розроблені технології і конструкції штампів для радіального обтискання і редукування призначені для виготовлення тонкостінних різьбових виробів за умов дрібносерійного виробництва і на стандартних універсальних пресах, проте в умовах масового виробництва таке рішення не можна вважати раціональним.

Висока продуктивність, технологічна ефективність та економічність при масовому виготовленні виробів досягається застосуванням безперервних комплексних автоматизованих роторних систем, що відмічено у ряді робіт В. М. Волкова, В. С. Гусарева, В. І. Золотухіна, М. І. Капустіна, І. А. Клусова, Л. М. Кошкіна, В. Ф. Прейса, А. Р. Сафарянца, Н. Е. Тернюка, Є. М. Фроловича і багатьох інших учених. До цого часу розроблені і широко впроваджені типові методики розрахунку і проектування роторних машин для ковальсько-штампувального виробництва. Проте практично повністю відсутні дослідження, пов'язані з розробкою загальних підходів до розрахунку і проектування роторних машин імпульсно-силового навантаження, які відрізняються не тільки простотою конструкції, але і багатофункціональністю в застосуванні.

Таким чином, підвищення ефективності виготовлення гайок в умовах масового виробництва можливе на основі вдосконалення технології витискання щодо роторних систем, здатних підвищити як продуктивність, так і рівень автоматизації.

Вибір напрямків і методів досліджень

Основним напрямком теоретичних та експериментальних досліджень у галузі технологій і обладнання процесу формоутворення різьбового профілю на гайках слід вважати підвищення ступеня наукової обґрунтованості технічних рішень, спрямованих на покращення якості готової продукції, а також на зниження її собівартості і забезпечення економії матеріальних ресурсів на всіх етапах промислового виробництва.

Як показали аналіз стану питання і результати проведених експериментальних досліджень, одним із найефективніших способів пластичного формування різьби на гайках в умовах масового виробництва може бути холодне об'ємне штампування. У цьому випадку потрібен тільки один формоутворювальний рух - подовжнє переміщення пуансона, що є важливим з погляду забезпечення простоти конструкції роторної машини. Запропоновані такі способи: одностороннє і двостороннє витискання (рис. 1). Заготовка 1 встановлюється на різьбову оправку 2 і поміщається з нею в порожнину матриці 3. При односторонній схемі деформація заготовки здійснюється одним пуансоном 4, а при двосторонній - двома, які переміщаються уздовж осі заготовки, діючи на її торці, і при цьому відбувається течення металу заготовки (бічне течення, тобто перпендикулярне напряму руху пуансона). Втулки 5 служать як спрямувальні або вони можуть бути відсутніми за певної конструкції різьбої оправки.

Подані схеми можуть бути реалізовані штампами, які конструктивно будуть простішими, ніж при витисканні різьби радіальним обтисканням або редукуванням. Крім того, запропоновані схеми виключають попереднє осьове стиснення заготовки, необхідне для реалізації процесів радіального обтискання і редукування, що так само є чинником спрощення конструкції штампу.

У світлі сформульованих задач, дослідження проводилися за двома основними напрямками: дослідження напружено-деформованого стану заготовки та енергосилових параметрів процесу; дослідження динамічних станів роторного пристрою імпульсно-силового навантаження.

Для дослідження енергосилових параметрів процесу використовувався метод балансу потужностей. Аналіз напружено-деформованого стану заготовки здійснювався на основі рівнянь пластичного течення, виходячи з прийнятих допущень і обмежень. Для аналізу динамічних явищ, які виникають у роторному пристрої при витисканні різьби на гайках, використовувалася пружно-пластична модель Прандтля, що при довільно заданому законі руху штока пуансона за допомогою копіра дозволило в аналітичному вигляді записати вирази для силових чинників, які діють в основних елементах цього механізму (поперечні навантаження і крутний момент опору на валу ротора, подовжні і поперечні сили в штоці та ін.).

Такий підхід дав можливість знайти при роботі роторного пристрою потенційні резонансні явища (звичайні і параметричні), біфуркацийні і хаотичні коливання.

Чисельне розв'язання рівнянь, які описують напружено-деформований стан заготовки, а також рівнянь динаміки роторного пристрою здійснювалося методом Рунге-Кутта.

Експериментальні дослідження були спрямовані на вивчення якості різьби в процесі її витискання.

Дослідження кінематики течення металу при формоутворенні різьби здійснювалося в спеціально спроектованому пристрої, який моделює умови плоскої деформації.

На поверхню початкової заготовки механічним способом наносилися взаємно перпендикулярні лінії, за деформацією яких аналізувалася кінематика течення. Осьосиметрична деформація заготовок з алюмінію марки АВ і міді М3 здійснювалася в спеціальному штампі.

Після деформації вимірювалася мікротвердість стінки деталі та її різьбового профілю на твердомірі ПМТ-3 з алмазною пірамідою, визначалася шорсткість поверхні різьби методом зліпків при використанні профілометра моделі «АБРИС-ПМ7» і встановлювалася точність різьби комплексним методом.

Теоретичні дослідження процесу пластичного формоутворення різьби витисканням

Процес витискання різьби здійснюється в умовах осьосиметричної деформації. Розв'язання задачі виконане в циліндровій системі координат - , , . Компоненти вектора переміщення в цих задачах не залежать від кута . За початок координат прийнято точку перетину осі, яка співпадає з віссю заготовки, та осі , що проходить крізь середину профілю різьби (рис. 2). Заготовку умовно розділили на дві зони - 1 і 2.

Прийняті наступні припущення: матеріал інструменту абсолютно жорсткий і в процесі витискання не деформується; температурне поле в об'ємі деформованої заготовки не змінюється; у процесі деформації існують площини (перпендикулярні осі деталі) розділу течення металу по западинах різьби; об'єм витка різьби дорівнює об'єму кільця, яке має профіль різьби; у різьбовій порожнині оправки переважає радіальне течення металу заготовки.

З урахуванням рівнянь нерозривності в циліндровій системі координат отримані вирази для визначення швидкостей течення металу, швидкостей деформації і інтенсивності швидкостей деформації в кожній із зон заготовки. На основі цих виразів визначені потужності зовнішніх і внутрішніх сил деформації і отримана формула для визначення відносного питомого зусилля деформації заготовки при витисканні різьби:

Аналіз виразу (1) показує, що найбільший вплив на енергосилові параметри процесу справляють геометричні параметри різьби і заготовки, коефіцієнт заповнення профілю різьби і умови тертя в кільцевій і різьбовій ділянці.

Отримані результати створюють передумови для визначення необхідних зусиль деформацій, що дозволяє виконати розрахунок елементів конструкції штампу і задати важливий початковий параметр для проектування роторного пристрою.

Для аналізу напруженого стану використовувалися рівняння руху пластичного середовища з припущенням про незначний вплив інерційних сил з огляду на малу швидкість деформації. У роботі отримані вирази для визначення компонентів напруг для зон 1 і 2 (рис. 2).

Аналіз цих виразів показує, що напружений стан заготовки в кільцевій ділянці (зона 1) залежить від поточної координати «». Радіальна і осьова напруги є стискаючими, а тангенційна - розтягуючою. Зі збільшенням товщини стінки заготовки значення напруг зростають. Напружений стан заготовки в різьбовій ділянці (зона 2) є складним, залежним від поточної координати «» і геометричних параметрів різьби. Найбільш небезпечним перетином заготовки є поверхня зсуву, тобто перехід частинок металу заготовки з кільцевої ділянки в різьбову, де стискуючі напруги переходять в розтягуючі, що може призводити до руйнування заготовки по внутрішньому діаметру різьби.

Експериментальні дослідження процесу витискання різьби

Дослідження кінематики течення матеріалу заготовки при холодному об'ємному штампуванні показав, що деформація характеризується більшою мірою радіальним, а не осьовим теченням. Особливо це виражене при двосторонньому витисканні. У той же час одностороннє витискання також характеризується радіальним теченням, що підтверджує правильність прийнятого припущення при теоретичному аналізі.

Холодна пластична деформація суттєво впливає на фізико-механічні властивості металу: при деформації має місце зміцнення. Результати досліджень мікротвердості металу свідчать про значне зміцнення заготовки як у зоні стінки, так і різьби - на 20 - 30 % вище порівняно з початковою і на 15 - 20 % вище, ніж у «нарізаної» гайки того ж розміру.

Так само встановлено, що раціональні з погляду геометрії різьбового профілю, співвідношення геометричних параметрів гайок з алюмінію для пластичного формоутворення повинні бути наступні: і , де , - зовнішній і внутрішній діаметр заготовки гайки відповідно; - товщина стінки заготовки гайки; - висота гайки; - кількість витків різьби; - крок різьби.

При використанні інших матеріалів, унаслідок різного «ступеня зміцнення», ці співвідношення можуть змінитися.

У будь-якому випадку зі зменшенням товщини стінки гайки необхідно прагнути до зменшення її висоти. Інакше зі збільшенням ступеня деформації висока ймовірність появи мікротріщин і навіть сколів витків різьби як гайки, так і різьбової оправки.

На рис. 3 показані розрізані накидні гайки, отримані при односторонньому витисканні. На шорсткість поверхні різьби найбільший вплив надає шорсткість різьби оправки і вид мастила.

Для різьбових оправок з мкм властиве схоплювання (налипання) матеріалу заготовки з різьбовою оправкою. Усунути цей недолік можна шляхом застосування заздалегідь зміцненої (витисканої) заготовки (з алюмінію), зниженням шорсткості різьби оправки до мкм і застосуванням якісних мастил. Кращі результати отримані з використанням дісульфіду молібдену. Застосування 8 -10 %-ої водної емульсії оливи давало якнайгірші результати. Використання емульсії призводило до схоплювання матеріалу заготовки на різьбовій оправці й ускладнювало згвинчення з неї гайки. Шорсткість зовнішньої поверхні деталі суттєво залежить від шорсткості контактуючих з нею поверхонь штампу. Тому для зменшення шорсткості зовнішньої поверхні гайки необхідно зменшувати шорсткість вказаних поверхонь деталей штампів до .

Експериментальне дослідження силового режиму витискання різьби показало, що розбіжність розрахункового та експериментального значень енергосилових параметрів процесу деформації не відрізняється більш ніж на 7 - 12 %. Показано, що застосування якісних мастил (наприклад, дісульфіду молібдену) сприяє зниженню не тільки шорсткості, але й енергосилових параметрів процесу деформації на 10 - 15 % в порівнянні з іншими мастилами.

Контроль точності різьби гайок, виконаний комплексним методом, показав, що розміри витисканих різьб, в порівнянні з нарізаними в аналогічних матеріалах, більш стабільні й укладаються в полі допуску різьби гайок середньої (5Н, 5G, 6H, 6G) і грубої (7Н, 7G) точності.

Таким чином, проведені експериментальні дослідження підтверджують правомірність прийнятих припущень при теоретичному аналізі. Якість отриманих виробів є прийнятною і спосіб витискання різьби може бути використаний у масовому виробництві гайок на роторних пристроях імпульсно-силового навантаження.

Дослідження динамічних процесів, що виникають в роторі при витисканні різьби

Виявлені теоретично та експериментально достатньо високі рівні енергосилових параметрів процесу холодного об'ємного штампування різьбових виробів разом з динамічними явищами, які властиві роторним системам, вимагають проведення додаткових досліджень, направлених на уточнення початкових даних для проектування відповідного обладнання.

Спрощена схема роторного пристрою імпульсно-силового навантаження для витискання різьби на гайках показана на рис. 4, де осьове зусилля, що призводить до пластичного течення металу, формується при обкатці штока пуансона по спеціально спрофільованому копіру. Відмінністю цієї схеми штампування від класичних схем штампувальних роторних машин є відсутність спеціальних поворотно-поступальних механізмів для передачі руху пуансону.

Дослідженню динамічних станів ротора при витисканні різьби передує визначення діючих на ротор навантажень як функцій його кутового переміщення. Для визначення силових чинників, яким піддається ротор при отриманні виробу, вважалося, що процес пружно-пластичного витискання деталі із заготовки описується моделлю Прандтля. На рис. 5 показані сили, прикладені до ролика штока в деякому поточному положенні обертового ротора відносно нерухомого копіра.

На рис. 4 позначено: 1 - ротор, 2 - копір, 3 - шток пуансона, 4 - спрямувальний ролик. Кути і є відповідно кутами «завантаження» і «розвантаження», і при цьому кут - є кутом «робочого ходу» пуансона.

На рис. 5 позначено: - нормальний тиск ролика на копір, - сила тертя кочення, що обумовлена зусиллям і спрямована уздовж прямої та виникає в результаті взаємодії пуансона із заготовкою відповідно до пружно-пластичної моделі Прандтля при будь-якому поточному положенні спрямувального ролика (цифрові позначення ті ж, що й на рис. 4).

Профіль копіра пропонується описувати загалому в полярній системі координат функцією

де - гранична величина пружно-пластичного стиснення заготовки, - радіус спрямувального ролика 4; - первинна довжина штока 3.

Тангенційна (відносно штока пуансона) сила, яка є причиною виникнення моменту опору обертанню ротора, також може викликати згинальні деформації штока в площині обертання ротора, що слід враховувати під час призначення його конструктивних параметрів.

При цьому встановлено, що в силу (2)

Дріб у правій частині формули (3) є «узагальненим» коефіцієнтом тертя . Тут і в співвідношеннях (3) і (4) позначено,

і крім того, прийнято, що - коефіцієнт тертя кочення ролика по копіру. На рис. 6 впродовж двох обертань ротора показана залежність для безрозмірної функції крутного моменту , де - зусилля пластичного витискання.

При цьому є суперпозицією функцій , де - діюча на шток тангенційна сила від го пуансона (функції зображені в нижній частині рис. 6).

Як видно, сумарний момент опорів носить явно виражений періодичний характер і має форму майже прямокутних імпульсів.

Навантаження рушійного валу ротора від декількох одночасно оброблюваних деталей походить не тільки від крутного момента, але і деякого сумарного вектора , породжуваного радіальними і тангенційними силами .

Поперечне навантаження викликає згинальні деформації валу ротора, а також обумовлює виникнення моменту опору при терті в підшипникових опорах з урахуванням інших «шкідливих» опорів :

Для визначення ефективної потужності електроприводу, прийнята концепція «теплового» розрахунку електродвигуна, і ця потужність визначається у формі наступного співвідношення, приймаючи частоту обертання ротора постійною: різьба гайка роторний деталь

Далі розглядаються питання крутильних коливань механічної системи «двигун-ротор», якими є дві обертальні маси, сполучені між собою пружним торсіонним зв'язком.

Тут - відповідно момент інерції обертальних елементів двигуна і його кут повороту, приведені до тихохідного валу редуктора; - відповідно момент інерції і кут повороту ротора; - коефіцієнт розсіювання енергії; - приведена до тихохідного валу постійна торсіонна жорсткість елементів трансмісії приводу; - приведений до тихохідного валу рушійний крутний момент, що розвивається двигуном; - момент опору обертанню ротора, викликаний рухом штоків пуансонів уздовж криволінійного профілю копіра; - момент опорів, викликаний тертям у підшипниках.

Система приведених диференціальних рівнянь має загальне розв'язання у формі де є кутова швидкість монотонного руху ротора, і при цьому скалярна координатна функція визначається за допомогою диференціального рівняння причому . Як випливає з (8), ротори виконавчого органу і двигуна рухаються так, що на їх монотонне кутове переміщення ніби накладаються малі лібраційні складові, що визначаються рівнянням (9).

Враховуючи те, що в (9) і є періодичними функціями від [див. рис. 6 і співвідношення (5)], одним із способів наближеного розв'язання нелінійного рівняння (9) може бути розкладання його правої частини в ряд Фур'є, з обмеженням гармоніками з якнайменшою частотою. Тоді без урахування дисипації енергії в першому наближенні рівняння (9) зводиться до лінеаризованої форми де позначено:

( - коефіцієнти ряду Фур'є). Рівняння (10) в однорідному записі, належить до типу рівняння Матьє, розв'язання якого за певних поєднань частот можуть бути асимптотично нестійкими (стан параметричного резонансу). Для рівняння Матьє при малих значеннях резонанс такого роду настає в малих околах чисел ряду

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) неоднорідного параметричного рівняння (10) подана на рис. 7, дє показано, що амплітуда лібраций ротора виявляється максимальною на так званій демультиплікаційній частоті, коли частота проходження пуансонів дорівнює подвоєному значенню частоти власних коливань. Тут на додаток до відомих позначень прийняті узагальнені параметри

У встановленому режимі руху, навіть в зонах параметричного збудження, фазові траєкторії лібраций практично не відрізняються від еліпсоїдних.

Проте за певних поєднань параметрів системи поряд з існуючими одночастотними періодичними лібраціями допускаються періодичні рішення, які відображають досить складний процес типу биття коливань.

Такого роду фазові траєкторії, зображені на рис. 8, мають місце, як правило, при порівняно невеликих значеннях коефіцієнта загасання. Такі явища, відомі під назвою біфуркації, характерні лише для нелінійних систем.

Ця механічна система має ще одну важливу особливість: за певних поєднань параметрів пристрою лібрації ротора стають хаотичними, не зважаючи на те, що початкове диференційне рівняння є суто детермінованим. Проте хаотичні коливання виразно мають характер випадкових «блукань», які ніби відбуваються в результаті дії якихось випадкових збурень.

На рис. 9 показана траєкторія такого роду хаотичного руху на фазовій площині, основною ознакою якого є принципова незамкненість фазової траєкторії. Іншими словами, наскільки б довго не велося спостереження за точкою, яка переміщається по фазовій площині, неможливо побачити, щоб ця точка двічі проходила вже колись пройденим шляхом.

При хаотичних коливаннях в кожному черговому циклі оберту точки навколо фокусу не можна наперед передбачити величину її максимального відхилення від осі абсцис. І тому при проектуванні роторних систем слід уникати появи хаотичних станів, які, як і біфуркаційні, є «шкідливими», оскільки, очевидно, негативно впливають на якість виготовлюваних деталей. Переконатися у відсутності хаосу або біфуркацій у кожному конкретному випадку можна за допомогою розроблених автором спеціальних програмних засобів.

Рекомендації щодо розробки технологічного оснащення і процесувитискання різьби

Даний розділ дисертації присвячений поданню рекомендацій в частині компонувальних рішень основних вузлів роторного пристрою. Порівняна простота пропонованої конструкції створює передумови для практичної реалізації розробленого способу виготовлення різьб в умовах масового виробництва.

Тут же викладені принципові положення інженерної методики розрахунку роторного пристрою, який базується на отриманих у дисертації теоретичних результатах. Основою пропонованої методики є розроблений автором інтерактивний програмний модуль і отримані криві для розрахунку крутного моменту на валу ротора, ефективної потужності приводу (рис. 10, 11), поперечного навантаження на вал і шток пуансона.

На рисунках 10 і 11 «кутова довжина» копіра, де - коефіцієнт перекриття працюючих пуансонів.

При цьому реальний крутний момент на валу ротора є , а реальна розрахункова ефективна потужність через інтегральний вираз (6) -

У свою чергу частота обертання ротора безпосередньо визначається добовою продуктивністю пристрою :

де - кількість годин роботи ротора в добу.

З рис. 11 видно, що наведений на ньому ряд кривих з достатньою для інженерних цілей точністю апроксимується прямими лініями типу

Спільне розв'язання співвідношень (11) - (14) призводить до виразу:

звідки випливає, що має яскраво виражений мінімум при

Підстановка (16) в (15) дозволяє отримати формулу для ефективної оптимальної потужності приводу

Чисельні оцінки, виконані за формулою (17), показують, що відносна перевитрата електроенергії може досягати декількох відсотків, що для безперервного потокового і тим більше масового виробництва є істотним і важливим чинником.

Підстановка (16) в (11) призводить до виразів для оптимальної величини кутової довжини (кута розкриття) копіра: .

Співвідношенню (15) можна надати також й іншого трактування. Припустимо, що потужність приводу є заданою. Тоді при добова продуктивність зі всіх можливих значень приймає максимальну величину

Викладені положення інженерної методики розрахунку склали основу розробленого інтерактивного програмного модуля в середовищі Borland Pascal, який дозволяє з мінімальним набором початкових даних зробити розрахунок силових чинників в основних елементах пристрою, побудувати фазові траєкторії коливань ротора для подальшої відбудови від резонансних, біфуркаційних і хаотичних станів.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, у якій подано вирішення актуальної наукової і практичної задачі створення і розрахункового обґрунтування параметрів принципово нової системи роторного пристрою пластичного формоутворення різьби на гайках в умовах масового виробництва, заснованої на взаємодії обертального разом з ротором штока пуансона з нерухомо розташованим спеціально спрофільованим копіром, який забезпечує деформацію заготовки відповідно до пружно-пластичної діаграми Прандтля.

1. Підвищення ефективності виготовлення гайок у масовому виробництві можливе на основі застосування способів холодного витискання на базі роторних і роторно-конвеєрних машин і ліній.

2. Розроблена математична модель напружено-деформованого стану заготовки при холодному об'ємному штампуванні різьби і визначені енергосилові параметри процесу. При цьому встановлено, що:

- напружений стан заготовки при витисканні є складним, залежним від поточної координати «r» і геометричних параметрів різьби. Найнебезпечнішим перетином заготовки є поверхня зсуву, тобто перехід частинок металу заготовки з кільцевої ділянки в різьбову, де стискувальні напруги переходять в розтягувальні, що може призводити до руйнування заготовки по внутрішньому діаметру різьби. Зі збільшенням коефіцієнта заповнення профілю різьби значення напруг зростають, що призводить до збільшення тиску на поверхню різьбової оправки і, при односторонній схемі витискання - до нерівноважного навантаження витків різьби оправки. Цей факт може призводити до руйнування оправки по западинах різьби. Більш прийнятною з погляду формоутворення заготовки і стійкості інструменту, є двостороння схема витискання;

- найбільший вплив на енергосилові параметри процесу справляють геометричні параметри різьби і заготовки, коефіцієнт заповнення профілю різьби та умови тертя в матричній і різьбовій ділянках. На відносне питоме зусилля найбільший вплив справляють коефіцієнт заповнення профілю різьби (30 %) і умови контактного тертя (30 %).

3. Експериментальні дослідження і промислові випробування технології витискання різьби показали, що:

- при формоутворенні різьби холодним об'ємним штампуванням встановлено, що зі зменшенням товщини стінки гайки необхідно прагнути до зменшення її висоти. У протилежному випадку зі збільшенням ступеня деформації висока ймовірність появи мікротріщин і навіть відколів витків різьби як гайки, так і різьбової оправки;

- міцність гайок приблизно на 15 - 20 % вища за міцність гайок, отриманих радіальним обтисканням, і майже 1,5 - 2,3 рази вища за міцність гайок, отриманих різанням. Розміри витисканих різьб, порівняно з нарізаними в аналогічних матеріалах, більш стабільні та укладаються в полі допуску різьби гайок середньої (5Н, 5G, 6H, 6G) і грубої (7Н, 7G) точності, що характерне для масового виробництва.

4. Розроблені загальні теоретичні підходи проектування роторних пристроїв імпульсно-силового навантаження. Отримана динамічна модель роторного пристрою для витискання різьби, аналіз якої показав, що:

- елементи конструкції ротора схильні до складного ангармонічного навантаження через прийняту концепцію пружно-пластичної моделі Прандтля, а також геометричні та фізичні особливості елементів, що контактують;

- рівняння відносного закручування валу роторів, отрамані у лінеаризованому вигляді, зводяться до форми рівняння Матьє, що свідчить про можливість реалізації у цій системі параметричних резонансів при збігу подвоєної частоти власних крутильних коливань з частотою обертання ротора виконавчого органу, помноженою на число оброблюваних виробів;

- за певних поєднань параметрів системи нелінійні рівняння взаємодії допускають біфуркаційні, хаотичні та квазігармонійні рішення, при цьому явища параметричних, біфуркаційних і хаотичних коливань слід вважати небажаними;

- потужність приводу ротора, отже, і витрата електроенергії мінімізуються за певної кількості оброблюваних виробів, що може бути використано як критерій оптимальності при їх виборі у кожному конкретному випадку.

5. Розроблено комплекс програмних засобів з автоматизованого розрахунку і проектування технологій і роторних пристроїв імпульсно-силового навантаження для виготовлення гайок в умовах масового виробництва, сформульовані практичні рекомендації щодо їх вдосконалення.

6. Розроблені нові способи холодного витискання різьби на гайках, ефективність яких підтверджена їх застосуванням у виробничих умовах.

7. Результати роботи впроваджені на ЗАТ «Новокраматорський машинобудівний завод», виготовлена дослідно-промислова партія накидних гайок з алюмінію і міді, при цьому в результаті застосування запропонованих технологій підвищений коефіцієнт використання матеріалу до 0,9, покращена шорсткість поверхні різьби виробу до 1,25…2,5 мкм, підвищений ресурс на згвинчування, розміри різьби відповідають вимогам ГОСТ 24705-81.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Матвиенко А. В. Анализ деформированного состояния заготовки при радиальном выдавливании внутренней резьбы на цилиндрической поверхности / А. В. Матвиенко, А. К. Кралин // Физика и техника высоких давлений : научный журнал. - Донецк : ДонФТИ им. А. А. Галкина НАН Украины, 2002. - Том 12. - С. 86 - 91.

2. Матвиенко А. В. Энергосиловые параметры процесса выдавливания резьбы на гайках / А. В. Матвиенко, А. К. Кралин, А. Аль Бурини // Прогрессивные технологии и системы машиностроения : международный сборник научных трудов. - Донецк : ДонГТУ, 2002. - Вып.19. - С. 141-145.

3. Матвиенко А. В. Анализ напряженного состояния заготовки при выдавливании резьбы на гайке / А. В. Матвиенко, А. К. Кралин, О. А. Балахничев // Прогрессивные технологии и системы машиностроения : международный сборник научных трудов. - Донецк : ДонНТУ, 2002. - Вып. 21. - С. 99-104.

4. Дворников В. И. Определение силовых факторов, возникающих в роторе для обработки металлов давлением / В. И. Дворников, А. К. Кралин, А. В. Матвиенко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения : международный сборник научных трудов. - Донецк : ДонНТУ, 2003. - Вып. 24. - С. 54-61.

5. Дворников В. И. Динамика технологического ротора при пластическом формообразовании изделий / В. И. Дворников, А. В. Матвиенко, А. К. Кралин // Прогрессивные технологии и системы машиностроения : международный сборник научных трудов. - Донецк : ДонНТУ, 2003. - Вып. 25. - С. 104-112.

6. Кралин А. К. Исследование качества резьбы, полученной пластическим деформированием / А. К. Кралин, А. В. Матвиенко // Прогрессивные технологии и системы машиностроения : международный сборник научных трудов. - Донецк : ДонНТУ, 2006. - Вып. 31. - С. 168-173.

7. Водолажченко А. Г. Прогрессивные способы образования резьбового профиля / А. Г. Водолажченко, А. К. Кралин, А. В. Матвиенко // Будівельні, дорожні машини та обладнання : Вісник ДонДАБА, 2000. - Вып. 5. - С. 7-8.

8. Матвиенко А. Холодная штамповка резьбы на внутренней цилиндрической поверхности детали / А. Матвиенко, А. Кралин, В. Лазуткин // Technologii Moderne, Calitete, Restructurare: Universitatea Tehnica a Moldovei, Chisinau. - 2001. - Vol. 3. - P. 218-221.

9. Сопилкин Г. В. Формообразование резьбы на деталях с ограниченной толщиной стенки / Г. В. Сопилкин, А. Н. Михайлов, А. В. Матвиенко, А. К. Кралин // Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века : сб. тр. VI международной научно-технической конференции. - 13-18 сентября 1999. - Том 3. - С. 57-59.

10. Кралин А. К. Крутильные колебания ротора при изготовлении резьбовых деталей методом выдавливания / А. К. Кралин // Вибрация машин: измерение, снижение, защита : научно-технический и производственный журнал. - Донецк : ДонНТУ, 2005. - № 2. - С. 57-60.

11. Патент на винахід 80176 Україна, МПК В21К 1/00, В 21 Н 3/00. Спосіб утворення різьбового профілю в порожнистих циліндричних деталях / А. К. Кралін, А. В. Матвієнко, В. О. Фініченко ; заявл. 29.06.05 ; опубл. 27.08.07 ; Бюл. № 13. - 4 с.

АНОТАЦІЯ

Кралин А.К. Совершенствование технологического обеспечения пластического формообразования резьбы на гайках в условиях массового производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск. 2009.

Диссертация направлена на решение актуальной научной задачи по повышению качества изготовливаемых гаек в условиях массового производства на основе создания и развития методик расчета технологий и оборудования, осуществляемых в процессе бокового выдавливания с использованием роторных установок.

Одним из способов получения готовых изделий с резьбовым профилем является способ формообразования резьбы на внутренней поверхности гаек, реализуемый путем пластической деформации рабочим органом (пуансоном) металла заготовки в полости резьбовой оправки и применением роторных систем непрерывного действия.

Исследования напряженно-деформированного состояния заготовки выполнялись с целью установления фактических усилий, требуемых для получения резьбы заданного профиля. Полученные результаты в дальнейшем были положены в основу изучения динамических состояний элементов роторной системы.

С целью обоснования условий и параметров процесса пластического формообразования резьбы выдавливанием, а также выявления закономерностей механики процесса проведены экспериментальные исследования. Основная же задача экспериментальных исследований состояла в подтверждении теоретических предсказаний относительно увеличения прочности резьбовых изделий, в установлении степени точности резьбы.

Экспериментально установлено, что при реализации процесса пластического формообразования резьбового профиля увеличивается микротвердость изделия, что обеспечивает повышение как прочностных, так и износостойких характеристик последнего. Значительное снижение усилия деформирования (до 30%) достигается при использовании дисульфида молибдена, при этом также улучшаются условия свинчивания гайки с резьбовой оправки.

Для принятой схематизации роторной установки, обеспечивающей непрерывное выдавливание резьбового профиля на заготовках, одной из естественных предпосылок является упруго-пластическая модель Прандтля, благодаря которой для принятого профиля копира в полярной системе координат оказалось возможным получить конкретные выражения для действующих нагрузок на грузонесущие элементы системы как функции углового перемещения ротора.

Разработанная динамическая модель процессов, возникающих в роторном устройстве при выдавливании резьбы, позволила установить возможность реализации в данной системе параметрических резонансов. При определенных сочетаниях параметров системы нелинейные уравнения взаимодействия допускают бифуркационные, хаотические и квазигармонические решения. Мощность привода ротора, следовательно, и расход электроэнергии, минимизируются при определенном рассчитываемом количестве обрабатываемых изделий.

Разработаны практические рекомендации по совершенствованию роторных систем для изготовления резьбовых изделий и решены задачи по автоматизированному проектированию технологического процесса работы и конструктивных параметров механического оборудования роторных систем импульсно-силового нагружения.

Разработанная интерактивная программа расчета численных значений основных параметров роторной системы позволяет в каждом конкретном случае сделать вывод о приемлемости принятых параметров установки, и при необходимости можно легко получить результаты для скорректированного варианта, повторяя расчет.

Результаты диссертационной работы в виде программных средств, технических решений и практических рекомендаций по совершенствованию были использованы в ЗАО «Новокраматорский машиностроительный завод» и в ДонНАСА, что позволило расширить сортамент и повысить качество тонкостенных резьбовых изделий за счет повышения прочности и точности изготовления резьбовых изделий. Экономия материальных ресурсов в этом случае достигается за счет снижения расхода материала и повышения качества изделий при минимальной трудоемкости и дополнительных капитальных затратах.

Ключевые слова: процесс пластического формообразования, тонкостенные резьбовые изделия, пуансон, резьбовая оправка, математическое моделирование, напряженно-деформированное состояние, точность, качество, автоматизированное проектирование, роторные системы.

Кралін А.К. Удосконалення технологічного забезпечення пластичного формоутворення різьб на гайках в умовах масового виробництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ. 2009.

Дисертація спрямована на рішення актуальної наукової задачі по підвищенню техніко-економічних показників при виготовленні гайок в умовах масового виробництва на основі створення і розвитку методів розрахунку технологій і обладнання процесу бокового видавлювання з використанням роторних установок.

Одним із способів отримання готових виробів з різьбовим профілем є процес формоутворення різьб на внутрішній поверхні гайок, який реалізується шляхом пластичної деформації робочим органом (пуансоном) металу заготовки в порожнині різьбової оправки і застосуванням роторних систем безперервної дії. Умови реалізації даної технологічної схеми дозволяють розширити номенклатуру різьбових деталей, а також підвищити продуктивність, точність і якість одержуваних виробів.

Дослідження напружено-деформованого стану заготовки виконувалися з метою

встановлення фактичних зусиль, що вимагаються для отримання різьблення заданого профілю. Одержані результати надалі були встановлені в основу вивчення динамічних станів елементів роторної системи.

Розроблена динамічна модель процесів, що виникають в роторному пристрої при витисканні різьби, дозволила встановити можливість реалізації в даній системі параметричних резонансів; при певних поєднаннях параметрів системи, нелінійні рівняння взаємодії допускають біфуркаційні, хаотичні і квазігармонійні рішення; потужність приводу ротора, отже, і витрата електроенергії, мінімізуються при певній кількості оброблюваних виробів.

Розроблені практичні рекомендації щодо вдосконалення, сформульовані і розв'язані задачі з автоматизованого проектування технологічного процесу роботи і конструктивних параметрів механічного обладнання роторних систем імпульсно-силового навантаження.

Ключові слова: процес пластичного формоутворення, тонкостінні різьбові вироби, пуансон, різьбова оправка, математичне моделювання, напружено-деформований стан, точність, якість, автоматизоване проектування, роторні системи.

Kralin A. K. Improving Engineering Provision of Threads Plastic Shape Forming on Nuts for Mass Production. - Manuscript.

Dissertation for a Candidate's degree in Engineering specialty 05.03.05 - Pressure and Machines of plastic working. - Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk. 2009.

The thesis is aimed at solving the topical scientific task on increasing the technical and economic indices when manufacturing nuts in mass production by means of making and developing designing techniques of production procedures and equipment for side squeezing-out using rotor units.

One of the ways of manufacturing thread shape finished products is the process of thread shape forming on the inner surface of nuts by means of plastic deformation of blank's metal with the punch in thread mandrel space and by using continuous action rotor systems. The given flow chart allows both to enlarge the range of thread pieces and to increase output, accuracy and quality of the products.

...