автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Кинетостатические и динамические погрешности при нарезании резьб ходовых винтов охватывающими фрезами

ВВЕДЕНИЕ

1. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОДОВЫХ ВИНТОВ

1.1 КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ХОДОВЫХ ВИНТОВ

1.1.1 Материалы ходовых винтов и гаек

1.1.2 Технические условия на изготовление ходовых винтов и гаек

1.2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ХОДОВЫХ ВИНТОВ СКОЛЬЖЕНИЯ 3 И 4-ГО КЛАССОВ ТОЧНОСТИ

1.2.1 Нарезание резьбы

1.3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ

1.4. ВЫВОДЫ. ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. КИНЕТОСТАТИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ПРИ ВИХРЕВОМ РЕЗЬБОНАРЕЗАНИИ

2.1. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ ПРИ ВИХРЕВОМ РЕЗЬБОНАРЕЗАНИИ

2.2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТОСТАТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ВИХРЕВОМ РЕЗЬБОНАРЕЗАНИИ

2.2.1. Схема расчета кинетостатических погрешностей при вихревом резьбонарезании.

2.2.2. Примеры результатов математического моделирования кинетостатических погрешностей для типовых ходовых винтов

2.3. ВЫВОДЫ

3. ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ РЕЗЬБОНАРЕЗАНИЯ

ОХВАТЫВАЮЩИМИ ФРЕЗАМИ

3.1 .ПРОБЛЕМА ВИБРАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В 85 ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

3.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИЛЫ РЕЗАНИЯ В

ПРОЦЕССЕ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ОХВАТЫВАЮЩИМИ ФРЕЗАМИ

3.3. ВЫВОДЫ

Проблеме повышения производительности труда человечество всегда уделяло и уделяет повышенное внимание. Особую актуальность эта проблема приобретает при выполнении таких распространенных и массовых операций как обработка винтовых поверхностей, в числе которых доминирующее положение занимают резьбы.

В настоящее время для обработки резьбы, в основном, используют традиционные способы с осевой подачей "на шаг". Это нарезание резьбы резцами, гребенками, плашками, метчиками, резьбонарезными головками, фрезами и пр.

Основным недостатком этих способов обработки резьбы является низкая производительность, что объясняется большой длиной пути инструмента в направлении подачи.

Процессы резьбообразования этими способами достаточно изучены. Проблеме повышения производительности обработки резьб посвящено большое число исследований и научных разработок.

Так, ученые Тульской научной школы В.Ф.Бобров, И.А.Коганов, С.И.Лашнев, М.И.Юликов, А.С.Ямников и др. разработали научные основы формообразования винтовых поверхностей и новые технологии обработки резьб с соответствующим технологическим оснащением и оборудованием / 1, 2, 3, 4/.

Ученые Челябинской научной школы В.В.Матвеев, И.Я.Мирнов, М.Х.Гольдфельд, В.Н.Коноплев, В.М.Меныпаков и др. внесли значительный вклад в науку о точности обработки резьб, создали ряд прогрессивных инструментов и способов, которые легли в основу новых технологий образования резьб / 5, 6, 7, 8, 9 /.

Большой вклад в развитие технологии обработки резьбы и внедрение ее в производство внесли Т.А.Султанов, Г.Г.Иноземцев, А.А.Грудов, В.Г.Якухин, В.В.Лапин, Ю.П.Кузьмин и др. / 9,10, 12 /. Их работы составляют фундамент для дальнейшего развития науки, создания новых способов формообразования резьбы и новых технологий ее обработки.

В первой главе диссертации приводится обзор существующих типовых технологий изготовления ходовых винтов металлорежущих станков.Проведенный обзор состояния вопроса показал следующее:

1.Технология изготовления ходовых винтов хорошо разработана и отлажена.

2.Показано, что наибольшей производительностью при нарезании резьбы ходовых винтов обладает процесс вихревого резьбонарезания.

3.Однако в доступной литературе нет данных по аналитическому определению кинетостатических и динамических погрешностей вихревого резьбонарезания. Лишь в маршрутной технологии указывается величина припуска, который должен компенсировать эти погрешности. В случае изменения размеров винта и режима резания погрешности могут измениться и заготовка попасть в брак.

Целью настоящей работы является аналитическое определение кинетостатических и динамических погрешностей при вихревом резьбонарезании.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи: 1 .Найти аналитическое определение параметров срезаемого слоя в любой момент времени.

2.Определить значение составляющих силы резания для произвольного момента времени.

3.Рассчитать кинетостатические погрешности для любого момента времени на всей протяженности резьбовой части.

4.0пределить уровень колебания мгновенного значения составляющих сил резания и величину вызываемых продольно-крутильных колебаний.

5.Дать численные выкладки для одного конкретного ходового винта и сделать выводы о соотношении величин погрешностей и рекомендуемого припуска на чистовую обработку.

Во второй главе рассматриваются органические для данного процесса кинетостатические погрешности нарезаемой резьбы, как результат мгновенного воздействия текущих значений сил и моментов сил резания, без учета действия сил инерции.

Впервые выведены аналитические зависимости для определения значений параметров срезаемого слоя при охватывающем резьбофрезеровании, позволяющие определить эти значения для любого произвольного момента времени и любого сочетания геометрических параметров инструмента и заготовки.

С учетом результатов классических работ по резьбонарезанию даны зависимости для определения мгновенного значения составляющих силы резания при любом относительном положении инструмента и заготовки и любом значении параметров режима резания.

С помощью математического моделирования процесса охватывающего резьбофрезерования с использованием найденных зависимостей определены значения кинетостатических погрешностей для конкретного ходового вала.

В третьей главе рассмотрена проблема вибраций при обработке металла резанием. Из приведенного обзора следует, что доминирующими факторами на процесс вибрации при резьбофрезеровании являются продольно-крутильные колебания заготовки.

Так как исследуемый процесс резания дискретен во времени, в полученной математической модели рассматриваются как вынужденные, так и свободные колебания вала. В связи с этим, в главе приведены аналитические решения краевых задач о свободных колебаниях. Для практических расчетов значений колебаний с использованием ПЭВМ при решении задачи о вынужденных колебаниях применялся численный метод конечно-разностных схем.

В заключении представлен пример расчета для процесса фрезерования резьбы ТРАП 48x12 силы резания и значения динамических погрешностей.

Актуальность темы работы обосновывается повышением требований к точности технологических расчетов на стадии проектирования. Тема связана с выполнением гранта РФФИ № 96-15-241 (6604 ГРФ).

Научная новизна представленной работы заключается в том, что в ней впервые выведены и апробированы аналитические зависимости для определения мгновенных значений геометрических параметров срезаемого слоя при охватывающем резьбофрезеровании и составляющих сил резания, а также вызываемых ими кинетостатических погрешностей с учетом взаимного влияния сил резания.

Достоверность результатов подтверждается корректным использованием фундаментальных зависимостей из технологии машиностроения, теории упругости и математического моделирования процессов резания.

Практическая полезность результатов работы состоит в том, что они позволяют на стадии проектирования технологического процесса и оснастки оценить возможное влияние жесткостных и динамических характеристик системы в совокупности с проектируемыми режимами резания на возможные кинетостатические погрешности обработки и оптимизировать распределение припуска между операциями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Поставленная задача выполнена.

Впервые дано аналитическое определение кинетостатических и динамических погрешностей вихревого резьбонарезания во времени.

Показано, что лимитирующими являются кинетостатические погрешности, связанные с прерывистым характеров процесса резания и сделаны следующие выводы:

1. Из проведенного численного эксперимента можно сделать вывод, что при встречном фрезеровании абсолютные отклонения погрешностей по оси Ох меньше.

2. Из сопоставления графиков на рис. 2.20 - 2.22 видно, что увеличение диаметра фрезы с 1,1 с! до 1,3(5 погрешность по оси Оу остается неизменной и составляет 0,024 мм.

3. В то же время эти же рисунки показывают, что предельные колебания увеличиваются по мере увеличения отношения диаметра фрезы к диаметру заготовки (в нашем случае при изменении к с 1,1 до 1,3 продольные колебания увеличиваются с 0,04 до 0,06 мм).

4. Из анализа графиков на рис. 2.21; 2.24; 2.27 видно, что осевая кинетостатическая погрешность увеличивается с 0,047 мм до 0,063 мм при увеличении 82 с 0,1 до 0,2 мм/зуб.

5. Для уменьшения величин кинетостатических погрешностей следует уменьшать отношение диаметра фрезы к диаметру заготовки - к, а также подачу на зуб - 82.

6. Как видно из сопоставления расчетных данных (см. Приложение 2) и графиков на рис. 3.2.6 свободные колебания в Ю10 превышают вынужденные.

7. Колебания сил резания на каждом резе имеют стабильный характер.

101

8. Свободные продольно-крутильные колебания на предельной амплитуде не зависят от координаты точки резания, но частота их увеличивается при приближении точки резания к шпинделю.

9. Регламентированной величины припуска после чернового резьбонарезания (0,8 мм) при обработке длинных валов с избытком хватает, т.к. только осевая погрешность доходит до 0,063 мм, и, используя известное технологическое правило, следует рекомендовать припуск величиной 0,12 мм на сторону, остальное является резервом для уменьшения припуска и, соответственно, для снижения общего времени обработки вала.

1. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчет и конструирование инструментов с примененнием ЭВМ. М.: Машиностроение, 1975. - 386 с.

2. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

3. Ямников A.C. Обработка резьбовых поверхностей. Учебное пособие. -Тула, ТулПИ, 1978. 75 с.

4. Бобров В.Ф. Многопроходное нарезание крепежных резьб резцом. М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

5. Матвеев В.В. Нарезание точных резьб. М.: Машиностроение. - 88 с.

6. Коноплев В.Н. Формы заборной чатси метчиков-раскатчиков // Вестник машиностроения, 1970, №8. С. 71-72.

7. Гольдфельд М.Х., Щуров А.И. ; Производство многопроходных винтовых канавок треугольного профиля на внутренней поверхности трубы // Технология механической обработки и сборки. Тула, ТулПИ, 1990. - С. 180-184.

8. Миронов И.Я., Анпологов O.A. Затылование режущей части метчиков для нарезания точных резьб // Станки и инструмент. 1984, №4. С. 1819.

9. Мельников В.М., Урлапов Г.П., Середа B.C. Бесстружечные метчики. -М.: Машиностроение, 1976. 167 с.

10. Ю.Якунин В.Г. Оптимальная технология изготовления резьб. М.: Машиностроение, 1985. - 184 с.

11. Н.Лапин В.В. и др. Накатывание резьб, червяков, шлицев, зубьев. Л.: Машиностроение, 1986. - 228 с.

12. Грудов A.A., Комаров П.Н. Высокопроизводительный резьборежущий инструмент. М.: НИИМАШ, 1980. - 62 с.

13. Этин А.И. Кинематический анализ процессов резания. М.: Машгиз, 1968. - 231 с.

14. Немцов Ю.Ю., Файман H.H. Особенности стружкообразования при резьбонарезании.// Резьбообразующий инструмент. М.: НИИМАШ, 1968. - С. 349-354.

15. Кедров С.С. Колебания металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1978. - 199 с.

16. Краткий физико-технический справочник под общей редакцией К.П. Яковлева, том II, М.: Гос. Изд-во физ.-мат. лит-ры, 1960. - 411 с.

17. Бобров В.Ф., Кондратьева Н.М., Моисеев A.B. Возможности повышения производительности нарезания упругой резьбы на закаленной стали.// Технология машиностроения. Тула, ТулПИ, 1972 - С. 118-129

18. Альбрехт П. Автоколебания при резании металлов // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1962, № 3. - С. 11 - 25.

19. Бандиопадхей Б. Исследование устойчивости процесса точения в условиях неустойчивого наростообразования // Технология машиностроения. Сер. 14 А. Резание металлов, станки и инструменты: РЖ. 1986, № 2. - С.З.

20. Бхат Р.Б.,4 Шаран А.М., Санкар Т.С. Характеристика обрабатываемой детали при точении в связи с действием перемещающихся в пространстве случайных сил резания металла // ВЦП, № КИ 74040. -К., 18.10.84. - 15 с.

21. Жарков И.Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. Д.: Машиностроение, 1986. - 179 с.

22. Каминская В.В., Кушнир Э.Ф. Динамическая характеристика процесса резания при сливном стружкообразовании // Станки и инструмент. -1979, № 5. С. 27 - 30.

23. Командури Р., Ван Туркович Б. Новые данные о механизме стружкообразования при обработке резанием титановых сплавов / Пер. с англ. М.М.Эйдинова // Режущие инструменты. 1981, Вып. 2. - С. 1 -9.

24. Кудинов В.А. Схема стружкообразования (динамическая модель силы резания) // Станки и инструмент. 1992, № 10. - С. 11 - 17, № 11. - С. 26 -29.

25. Лазарев Г.С. Автоколебания при резании металлов. М.: Высшая школа, 1971. - 243 с.

26. Молочков A.B., Пацкевич В.А. Высокочастотные вибрации при точении // Станки и инструмент. 1972, № 7. - С. 11 - 13.

27. Паршаков А.Н., Стефаненков П.Н., Свирщев В.И. Об одном из путей управления автоколебаниями при резании // Совершенствование процессов абразивно-алмазной и упрочняющей ,г; технологии в машиностроении. Пермь, 1984. - С. 36 -42. •

28. Попов В.И. К вопросу о статистической динамике процесса резания // Резание и инструмент. Харьков: Выща школа, 1973, Вып. 7. - 47 с.

29. Тараненко В.А., Левин М.А. Моделирование процедур формирования параметров качества при механической обработке деталей // Машиностроительное производство. Сер. Технология и оборудование обработки металлов резанием. М.: ВНИИТЭМР, Вып. 3. - 64 с.

30. Томпсон Р. Модуляция вибраций, возникающих при механической обработке материалов // Конструирование и технология машиностроения. М.: Мир, 1969, № 3. - С. 141 - 148.

31. Эльясберг М.Е. О независимости границы устойчивости процесса резания от возмущений по следу // Станки и инструмент. 1976, №11. -С. 32 - 36.

32. Эльясберг М.Е. О расчете устойчивости процесса резания с учетом придельного цикла системы // Станки и инструмент. 1975, № 2. - С. 20 - 27.

33. Дроздов H.A. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке // Станки и инструмент. М.: 1937, № 22.

34. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.-Л.: АН СССР, 1944.

35. Соколовский А.П. Вибрации при обработке на металлорежущих станках // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1958. - С. 3 - 23.

36. Каширин А.И. Вопросы устойчивости рабочего движения при обработке металлов резанием // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1958. -С.24 - 29. л ¿

37. Кудинов В.А. Теория вибраций при резании (точении) // Передовая-технология машиностроения. М.: АН СССР, 1955.

38. Тлустый И. Автоколебания в металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1956.

39. Эльясберг М.Е. Основы теории автоколебаний при резании металлов // Станки и инструмент. 1962, № 10. - С. 3 - 8, № 11. - С. 3 - 7.

40. Кучма Л.К. Учет сил сопротивления в автоколебательной системе деталь-станок-инструмент // Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов. М.: Машгиз, 1956. - С.220 - 227.

41. Ташлицкий Н.И. Первичный источник возбуждения автоколебаний при резании металлов // Вестник машиностроения. 1960, № 2. - С. 45 - 50.

42. Doi S., Kato. Vibration of Lathe Tools. Transations of the ASME, vol. 78, 1956, 1 5.

43. Эльясберг М.Е. Расчет металлорежущих станков на устойчивость процесса резания // Станки и инструмент. 1959, № 3. - С. 3 - 7.

44. Лазарев Г.С. Устойчивость процессов резания металлов. М.: Высшая школа, 1973. - 184 с.

45. Васин Л.А. Комплексная система проектирования безвибрационного процесса токарной обработки на основе динамических характеристик элементов технологической системы / Дисс./.; Док. техн. наук. Тула: ТГТУ, 1994. - 479 с.

46. Васин Л.А., Федин Е.И., Ямникова O.A. Математическая модель силы резания при точении // Труды конгресса "Конструкторско-технологическая информатика" КТИ-96. Москва, 22-24 мая. - С.39 -40.

47. Васин Л.А., Ямникова O.A. Исследование связанности крутильных и продольных колебаний валов при точении // Технология механической обработки и сборки. Сборник научных трудов. Тула: ТулГУ, 1995. - С. 110 - 116.

48. Васин Л.А., Ямникова O.A. Определение амплитуд продольно-крутильных колебаний при точении нежестких валов // Режущие инструменты и метрологические аспекты их производства. Сборник научных трудов. Тула: ТулГУ, 1995. - С. 33 - 39.

49. Васин Л.А., Ямникова O.A. Точение с постоянной силой резания // Технология механической обработки и сборки. Сборник научных трудов. Тула, 1994. - С. 70 - 73.107

50. Ямникова O.A. Стабилизация силы резания. Дис. канд. техн. наук. Тула, 1997.148 с.

51. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985. 472 с.