автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Холодное накатывание внутренних зубчатых профилей с применением поверхностно активных технологических сред

Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи

ШЛЕМИН ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

УДК 621.771.067

ХОЛОДНОЕ НАКАТЫВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ЗУБЧАТЫХ ПРОФИЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНО АКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СРЕД

Специальность 05.03.05-процессы и машины

обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор, член-корр. PATH Л.Б.Аксенов

Санкт-Петербург - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................3

1.АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС......<с

1.1. Классификация методов объемного формообразования зубчатых колес................................. .... 6

1.1.1. Выбор системы классификации....................6

1.1.2. Классификация и анализ методов объемного формообразования зубчатых колес........................ Л

1.2.Классификация физико-химических методов обработки материалов . 43

1.3.Современное состояние теории процессов объемного формообразования зубчатых венцов..................55

1.4.Выводы по главе 1...........................

1.5.Цель и задачи исследования , .......................67

2.ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ ЗУБОНАКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА', , .63

2.1.Феноменологическая модель повреждений зубьев накатника......

2.2.Математическая модель объемного формообразования зубчатых венцов холодным осевым накатыванием в химически

активной технологической среде.......................7/

2.2.1.Анализ кинематики процесса и задание граничных условий......7/

2.2.2.0пределяющая система уравнений...................72

2.3.Методика проектирования заходного участка накатника

от им альной форм ы...............................97

2.4. Алгоритм расчета оптимальной формы инструмента для

осевого накатывания периодических профилей типа зубчатых . . ......НЪ

2.5.Выводы по главе 2..............................-М9

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НАКАТЫВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ЗУБЬЕВ, ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ

МОДЕЛЕЙ, ВЫБОР ХИМИЧЕСКИ АКТИВНОЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ . ..................... . .Ш

3.1.Экспериментальный стенд для исследования основных технологических параметров процесса осевого накатывания

внутренних зубьев................................121

3.2.Разработка химического состава поверхностно активной

технологической среды............................124

3.2.1 .Анализ физико-химических процессов в деформированных

стальных заготовках в условиях химически активной среды......

3.2.2.Разработка химического состава поверхностно активной технологической среды.......................... .13 2

3.2.3.Исследование электрохимических свойств технологической среды ¿38

3.2.4.Влияние химически активных смазок на физико-механическое состояние поверхности накатанных зубчатых венцов........ . .

3.3.Адекватность математических моделей напряженного и деформированного состояния формообразованных зубчатых венцов. . .1^2

3.4.Исследование энергосиловых параметров процесса накатывания внутренних зубьев и построение регрессионных моделей. 15й!

3.5.Влияние основных технологических параметров на

точность формообразованных зубчатых венцов.............Я о

3.6.Выводы по главе 3............................1Ы

4.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ХОЛОДНОГО НАКАТЫВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ПРОФИЛЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОВЕРХНОСТНО АКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД. . . . .т

4.1 .Способ накатывания внутренних зубчатых профилей с применением химически активной смазочно-охлаждающей среды. . . 18^

4.2.Методика проектирования технологического процесса холодного накатывания внутренних периодических профилей

типа зубчатых в поверхностно активной технологической среды.....-/$6

4.3.Выбор материала инструмента.....................1.31

4.4.Методы защиты зубонакатного оборудования ог химически активной смазочно охлаждающей жидкости................13е

4.5.Промышленное использование разработанного техпроцесса холодной накатки внутренних эвольвентных профилей

в поверхностно активной технологической среде.............132

4.6.Выводы по главе 4............................2 оя

5.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ........¿06

6.ЛИТЕРАТУРА ............................ . . .¿09

ВВЕДЕНИЕ

Применение в промы тленности технологических процессов объемного формообразования зубчатых колес значительно повышает эффективность изготовления за счет повышения производительности процесса, экономии металла и улучшения качества изделия. Детали с внутренними периодическими профилями являются составной частью шлицевых соединений, планетарных механизмов, волновых передач. Процесс формирования внутренних периодических профилей методами резания является трудоемким и малопроизводительным. Трудоемкость их изготовления составляет 70...80% общей трудоемкости обработки детали. Низкая производительность оборудования требует значительного парка станков и больших производственных площадей. В настоящее время успешно решена проблема холодного объемного формообразования зубчатых венцов с модулем до 2,0 мм и шлицев с модулем до 3,5 мм. Технологические возможности процессов холодного объемного формообразования периодических профилей в значительной степени ограничены способностью металла к упрочнению. Наиболее упрочненным является поверхностный слой накатанных профилей, который распространяется на

л

глубину 25...30 мкм. Его твердость составляет 3,75...4,20 кН/мм , что превышает твердость основного металла на 80... 100%. Процессы разупрочнения материала заготовки методами термообработки трудоемки и малоэффективны. Для решения данной задачи необходим принципиально новый подход.

В связи с этим целью настоящей работы является разработка способа холодного объемного формообразования периодических профилей внутреннего зацепления с применением поверхностно активных технологических сред, реализующего механохимический эффект, и научно обоснованной методики расчета параметров процессов, создание технологии изготовления типовых

деталей машин, выпускаемых предприятиями автомобильной ,тракторной, станкостроительной, подъемно-транспортной промышленностей.

Диссертация выполнена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного технического университета. Научными консультантами данной работы являются доцент к.т.н. В.Н Востров., доцент к.т.н. В.В. Маслов, профессор д.т.н. С.А.Атрошенко.

Работа состоит из четырех глав. В первой главе показана актуальность проблемы разработки эффективной технологии изготовления деталей внутреннего зацепления. С применением фасетного принципа разработана классификация и выполнен анализ объемного формообразования зубчатых колес. Разработана классификация физико-химических методов обработки материалов и на основании анализа этих методов обоснована необходимость разработки новой технологии реализующей механохимический эффект. Выполнен анализ современного состояния теории процессов объемного формообразования зубчатых венцов. Вторая глава посвящена разработке методики проектирования формы инструмента, обеспечивающей его наибольшую стойкость. Методика основана на феноменологическом подходе теории пластических деформаций и теории предельных состояний материалов при произвольной системе напряжений. Получены аналитические зависимости, учитывающие влияние химически активной технологической среды и реономные свойства заготовки на напряженно-деформированное состояние изготовленных периодических профилей, контактные напряжения и технологические параметры процесса. На основании данных зависимостей разработан алгоритм численной реализации. Приведен пример расчета оптимальной формы рабочего участка накатника с использованием метода динамического программирования. В третьей главе представлены результаты исследования деформированного состояния в очаге деформации, силового режима и их влияние на качество накатываемых профилей, что позволило выявить характерные этапы реализации и сформулировать краевые задачи теории

пластического течения металлов. Доказана адекватность теоретических моделей. Разработаны статистические модели энергосиловых параметров процесса и параметров точности накатанных периодических профилей. В результате комплексного исследования эффективности действия химически активных смазочно-охлаждающих жидкостей при накатывании профилей внутреннего зацепления предложены новые смазочные материалы. В четвертой главе описан способ формообразования внутренних периодических профилей на основе механохимического эффекта. Даны рекомендации по промышленному использованию разработанного технологического процесса, выбору материала инструмента и защиты оборудования о т коррозии.

1.АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

1.1. Классификация методов объёмного формообразования зубчатых

колёс

1.1.1. Выбор системы классификации

Согласно ГОСТ 6.01.1,- 87 " Единая система классификации и кодирования технико-экономической информации. Основные положения и нормативы " [1] классификацией называется система разделения множества объектов на подмножества по их сходству или различию в соответствии с принятыми методами. Признаком классификации называется свойство или характеристика объекта, по которому производится классификация.

Классификационные системы применяют для структурирования и обобщения знаний. В таких системах, с одной стороны, все сущности разбиваются по определённым признакам на некоторое число классов, а с другой стороны группируются вместе. Методы классификации объектов технико-экономической информации подразделяются на иерархический и фасетный.

При иерархической системе классификации классифицируемое множество объектов делится по некоторому выбранному признаку на крупные группировки, между которыми устанавливается отношение подчинения, затем каждая группировка в соответствии с выбранным основанием деления разбивается на ряд последующих группировок, которые в свою очередь распадаются на более мелкие, постепенно конкретизируя объект классификации [2]. Исходное множество объектов классификации (М) на первой ступени делится на группировки (классы): Г'1...ГтЬ образуя первый уровень классификации. На второй ступени классы делятся на более мелкие группировки ( подклассы '): Гц ...ГКт2 ...Гт1д... Гт1т2, образуя второй уровень классификации. Аналогично происходит деление на третьей ступени классификации, четвёртой и т.д. Основные преимущества иерархической

системы классификации заключаются в её большой информативной ёмкости, традиционности и привычности применения, хорошей приспособленности для ручной обработки информации [2]. Значительным недостатком иерархической системы классификации является слабая гибкость структуры, обусловленная фиксированностью постоянных признаков (оснований деления) и заранее установленным порядком их следования, не допускающим включения новых объектов и классификационных группировок. Кроме того, эта система классификации не позволяет агрегировать объекты и осуществлять информационный поиск по любому произвольному сочетанию признаков, а также усложняет машинную обработку из-за нестандартного выделения и расположения конкретных признаков в различных ветвях классификации [2].

Классификация способов накатывания резьб, зубьев, шлицев и других периодических профилей, основанная на иерархическом принципе составлена Писаревским М. И. [3]. Классификационное множество объектов разделено по выбранному признаку - форма и кинематика движения инструмента на крупные группировки: плоский инструмент с тангенциальной подачей, приводной цилиндрический инструмент, неприводной цилиндрический инструмент с тангенциальной подачей. Причём группировка приводной цилиндрический инструмент разбивается на группировки: радиальная, осевая, тангенциальная, радиально-осевая подачи инструмента. Затем каждая группировка в соответствии с выбранным основанием деления, которым является компоновка накатного оборудования, разделена на ряд последующих группировок: двумя плоскими платками, тремя плоскими плашками, специальными плашками, одним роликом с винтовой нарезкой, двумя роликами с винтовой нарезкой, роликами с кольцевой нарезкой, роликами с разными окружными скоростями, резьбонакатными головками. Данная классификация достаточно полно отражает многообразие методов получения резьбовых и других периодических профилей одним из возможных способов -накатыванием. Классификация позволяет прогнозировать направления развития технологии накатывания периодических профилей, предусматривая

создание новых схем. Однако классификация Писаревского М.И. не обеспечивает возможность рассмотрения альтернативных вариантов формообразования деталей с периодическим профилем и не позволяет выбрать оптимальный метод.

С целью анализа кинематического и напряжённого состояния, построения расчётных моделей, Овчинниковым А.Г. на основе иерархической системы разработана классификация процессов штамповки сортового проката [4]. Вся совокупность процессов подразделяется на четыре группировки: осадка (высадка), выдавливание, изгиб, скручивание. В зависимости от характера течения металла в процессе штамповки выдавливанием выделены несколько технологических операций, применение которых позволяет получить большое многообразие поковок: прямое выдавливание (прессование), редуцирование, обратное выдавливание (прошивка), боковое выдавливание, радиальное выдавливание. Классификация позволяет оценить все операции, обеспечивающие получение разнообразных форм сортового проката. При анализе сложного формообразования, на основании классификации, можно выявить главные операции, методы расчёта которых достаточно хорошо разработаны в теории обработки металлов давлением.

Классификация методов объемного формообразования цилиндрических зубчатых колес на основе иерархического принципа по признаку вида операции предложена Шекерджиевым Э.Р. [5]. Поскольку вид операции характеризует напряжённо-деформированное состояние заготовки, классификационное множество объектов разделено по выбранному признаку на крупные группировки: накатывание, ковка ротационная, штамповка с вращательным движением инструмента (раскатка), штамповка с поступательным движением инструмента (пуансона). На втором уровне классификации учтено различие формы инструмента. Кинематика движения инструмента является отличительным признаком третьего уровня классификации. На четвёртом уровне классификации использован признак направления течения металла заготовки относительно инструмента. Пятый

уровень классификации учитывает химико-физические особенности технологической среды. Предложенная Шекерджиевым Э.Р. классификация процессов объёмного формообразования цилиндрических зубчатых колёс позволяет более полно оценить технологические возможности и тенденции развития процессов объёмной штамповки. Однако данная классификация обладает существенным недостатком, присущем иерархической системе -фиксированные основания деления не допускают включения новых группировок, вследствие чего классификация не предусматривает резервные ёмкости. Добавление новых классификационных признаков приведёт к полному перераспределению группировок. Этот недостаток устранён в фасетной системе классификации.

Фасетная система классификации - это система, при которой классифицируемое множество образует независимые друг от друга группировки по различным аспектам классификации или их совокупности [2]. Фасетная система не имеет жёсткой классификационной структуры. При ней множество, характеризуемое набором признаков (фасетов), значения (термины) которых соответствуют конкретным выражениям выбранных признаков, делится многократно и независимо. Классификационные группировки образуются путём комбинаций значений, взятых из соответствующих фасетов. Исходное множество объектов (М) может параллельно образовывать группировки Г (Фь Ф2,...,ФП); Г (Фь Фг); Г (Фь Фп); Г (Ф2, Фп) и т.д. по любому сочетанию фасетов. Ёмкость системы (наибольшее количество классификационных группировок в данной системе классификации) зависит от числа фасетов и от количества признаков в фасете. При построении фасетной системы должно соблюдаться правило взаимоисключения фасетов (значения различных фасетов не должны пересекаться). Основное преимущество фасетной классификации обусловлено гибкостью структуры её построения. Изменение в любом из фасетов не оказывает существенного влияния на остальные. Большая гибкость обеспечивает приспособляемость системы к меняющемуся характеру

решаемых задач. Фаеетная система не только позволяет образовывать новые классификационные группировки из имеющихся фасетов, но и включать новые и исключать старые фасет