автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Определение параметров точности при нарезании винтовых канавок в длинных нежестких составных деталях

1 .Технологическая характеристика изделий типа "Кольцо ведущее" и способов обработки внутренних канавок.

1.1. Характеристика изделий типа "Кольцо ведущее".

1.2. Анализ вариантов технологии изготовления канавок.

1.3. Обзор конструкций метчиков и технологической оснастки для нарезания точных резьб.

1.4. Обзор литературных данных по образованию точных резьб мерными инструментами.

1.5. Определение причин, вызывающих погрешности обработки при нарезании винтовых канавок.

1.6. Выводы, цель работы и задачи исследования.

2. Упругие деформации резьбы после резьбонарезания.

2.1. Выбор метода расчета упругих деформаций.

2.2. Определение силовых зависимостей, возникающих при обработке винтовых канавок метчиком.

2.2.1. Исследования в области определения силовых зависимостей при нарезании упорных резьб.

2.2.2. Определение составляющих силы резания на отдельном режущем зубе метчика.

2.2.2.1. Зависимости для составляющих силы резания.

2.2.2.2. Угол схода стружки.

2.2.2.3. Нормальная сила и сила трения, действующие на переднюю поверхность режущего зуба метчика.

2.2.2.4. Силы, действующие на заднюю поверхность режущего зуба метчика.

-32.2.2.5. Сопротивления обрабатываемого материала пластическому сдвигу.

2.2.2.6. Определение параметров срезаемого слоя.

2.2.2.7. Определение длин режущих кромок.

2.2.3. Суммарные силы, действующие на сектор во время работы

2.3. Геометрические характеристики поперечного сечения детали.

2.4. Методика расчета деформаций сектора детали.

2.5. Выводы.

3. Определение деформаций сектора по длине детали.

3.1. Деформации,изгиба в направлении оси Ъ.

3.2. Деформации изгиба в направлении оси У.

3.3. Проверка достоверности производимых расчетов.

3.4. Определение зависимости величины погрешности от параметров метчика.

3.5. Выводы.

4. Конструкция метчиков для нарезания винтовых канавок.

4.1. Профили рабочих частей инструмента.

4.2. Составляющие суммарной силы резания при работе метчиками с двумя режущими участками.

4.3. Определение погрешностей, связанных с упругой деформацией секторов.

4.4. Определение величины упругих деформаций детали.

4.5. Конструкция инструмента для получения винтовых канавок.

4.6. Алгоритм расчета упругих деформаций сектора детали.

4.7. Выводы.

Точность механической обработки продолжает оставаться одной из актуальных задач технологии машиностроения, так как от точности деталей и их сборки в значительной мере зависят эксплутационные характеристики машин, их надежность и долговечность. Одним из вопросов этой задачи является получение точных резьбовых соединений, нашедших широкое применение в отрасли.

Наиболее распространенным способом получения внутренних резьбовых поверхностей является обработка их метчиками. В настоящее время в результате проведенных многочисленных исследований появились конструкции инструментов и технологической оснастки, а также рекомендации по проектированию наладок, обеспечивающие получение точных метрических резьб на различных видах оборудования: токарных, сверлильных, агрегатных станках, револьверных и многошпиндельных автоматах и полуавтоматах и др.

В специальном машиностроении изготавливаются изделия, состоящие из трех секторов, с внутренней винтовой канавкой, диаметр которой колеблется от 18 до 36 мм, а длина - от 200 до 500 мм. Профиль винтовой канавки может быть симметричным и с различными углами наклона боковых сторон. Точность их изготовления задается допуском на приведенный средний диаметр, который ориентировочно равен допуску 6-ой степени точности для резьб соответствующего диаметра и шага. Однако отнести точность изготовления винтовой канавки к данной степени точности было бы неправильно, так как этот допуск соответствует резьбам с нормальной (группа Ы) длиной свинчивания. Длина же свинчивания рассматриваемых винтовых канавок практически на порядок больше, следовательно, и допустимая погрешность шага в этом случае должна быть на порядок меньше. Поэтому винтовые канавки можно отнести к особо точным резьбовым поверхностям.

Попытки получить винтовые канавки, используя известные конструкции метчиков и технологической оснастки, не дали положительных результатов. Это объясняется тем, что известные ранее проведенные исследования, направленные на повышение качества формирования резьб при получении их с помощью метчиков, относятся к случаям обработки резьб с симметричным профилем и короткой (группа Б) или нормальной (группа И) длиной свинчивания.

Поэтому в данной работе решается актуальная проблема - обработка точных резьбовых поверхностей с большой длиной свинчивания.

Работа выполнялась в 1996-1999 гг. по гранту РФФИ № 96-15-98-241 (№ 6604 ГРФ).

Цель настоящей работы состоит в том, чтобы теоретически обосновать способы и средства, обеспечивающие получение точных винтовых канавок в изделиях типа "Кольцо ведущее", состоящих из комплекта секторов.

Для достижения поставленной цели, на основании проведенного анализа вопроса, необходимо решение следующих основных задач:

1. Изучение особенностей однопроходного нарезания метчиками винтовых канавок в комплекте деталей переменной жесткости; раскрытие механизма образования погрешностей, присущих данным технологическим условиям.

2. Разработка математической модели точности обработки винтовых канавок в комплекте деталей переменной жесткости.

3. Расчетно-экспериментальная проверка математической модели точности образования винтовых канавок в комплекте деталей переменной жесткости.

4. Обоснование схемы удаления припуска при формировании винтовых канавок и определение рациональной конструкции инструмента для ее реализации.

5. Разработка методики и алгоритма расчета точности обработки винтовых канавок в комплекте деталей переменной жесткости и внедрение результатов работы в производство на примере деталей типа "Кольцо ведущее".

Конструкция винтовой канавки в изделиях типа "Кольцо ведущее" имеет ряд особенностей, влияние которых на точность обработки в настоящее время недостаточно изучено: винтовая канавка имеет асимметричный профиль; длина ее значительно превышает длину резьб группы Ы; специфичность конструкции самого изделия, состоящего из трех одинаковых секторов. Из анализа влияния технологйЧеских факторов на точность приведенного среднего диаметра по схеме проф.В.В.Матвеева определено, что основными из них являются упругие деформации секторов.

Для изучения погрешностей разработана методика расчета составляющих силы резания на отдельном режущем зубе инструмента. При этом для составляющих силы резания использованы уравнения, предложенные проф. В.Ф.Бобровым, а для теоретического определения угла сдвига - методика проф.С.С.Силина. На основе этого разработана методика определения составляющих силы резания на отдельном режущем зубе метчика и суммарной силы от всех режущих зубьев.

Установлено, что подбором оптимальных геометрических величин инструмента можно добиться того, что величина и колебания радиальной составляющей суммарной силы резания будут незначительны и практически не окажут влияния на погрешность приведенного среднего диаметра.

Конструктивной особенностью изделий типа "Кольцо ведущее" является то, что они состоят из трех одинаковых секторов, соединяемых между собой с помощью резьбовых колец, хомутов и оснастки при обработке на станках. Но из-за сложной конфигурации наружной поверхности обеспечить силовое замыкание по всей длине не удается, что ведет к появлению погрешностей собственно среднего диаметра по длине детали, связанных с упругой деформацией секторов между местами их закрепления. Для расчета возможных деформаций выбран метод, использующий уравнение упругой линии, как наиболее универсальный. Определены участки деталей различных конструкций, характеризующиеся определенными условиями закрепления. Выведены зависимости для определения геометрических характеристик поперечного сечения рассматриваемых секторов и сил резания, действующих на отдельный сектор. Установлены исходные уравнения для определения упругих деформаций оп длине, на основании которых разработан алгоритм и программа расчета на ПЭВМ. Выявлено, что наиболее опасными с точки зрения появления погрешности собственно среднего диаметра являются концевые участки детали.

Анализ погрешностей, возникающих при обработке винтовых канавок, показал, что основной из них является погрешность собственно среднего диаметра, вызванная упругими деформациями сектора при обработке. Для ее уменьшения был предложен метчик с двумя рабочими участками, первый из которых вырезает основную часть профиля винтовой канавки и обеспечивает точность перемещения по шагу, а второй - окончательно формирует винтовую канавку. При этом снижаются радиальные нагрузки на сектор во время работы второго участка и соответственно его упругие деформации. Установлены зависимости для расчета профиля первого участка инструмента. Проведены необходимые расчеты по точности обработки предлагаемым инструментом.

Научная новизна полученных результатов заключается в теоретическом обосновании технологии обработки точных винтовых канавок в сборочной единице из комплекта деталей переменной жесткости, выявлении технологических факторов, обусловливающих точность обработки и оптимизации схемы срезания припуска по критерию минимальности погрешности собственного среднего диаметра винтовой канавки от упругих деформаций секторов комплекта, позволивших разработать прогрессивный инструмент, обеспечивающий заданные точность и качество обрабатываемых поверхностей.

Практическое значение результатов работы заключается в создании инструментов, обеспечивающих получение винтовых канавок заданной точности и прошедших испытание на двух предприятиях отрасли.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что винтовые канавки относятся к особо точным прецизионным резьбовым поверхностям, наиболее производительным способом обработки которых является нарезание их метчиками.

2. На основе анализа факторов, влияющих на точность обработки, определено, что одной из основных причин вызывающих погрешности приведенного среднего диаметра являются упругие деформации самой детали на различных участках ее длины.

3. Получены зависимости для определения составляющих силы резания на отдельном режущем зубе метчика, а также составляющих суммарной силы резания, действующих на сектор.

4. Получены расчетные зависимости для определения упругих деформаций по длине детали и на основе их использования установлено, что погрешность собственного среднего диаметра, определяемая упругими деформациями может составлять до 60% допуска на приведенный средний диаметр и наиболее опасными с точки зрения образования погрешности собственно среднего диаметра являются участки с консольным закреплением и закреплением типа «заделка - подвижный шарнир».

5. Предложена принципиальная схема двухступенчатого метчика, обеспечивающего уменьшение силы резания в зоне окончательного формирования профиля винтовой канавке.

6. Получены зависимости для расчета упругих деформаций диаметрального направления на различных участках по длине заготовки при обработке

-128 двухступенчатым метчиком и зависимости для определения необходимого расстояния между режущими участками его ступеней. 7 . Разработана конструкция и изготовлены двухступенчатые метчики, проведены их промышленные испытания на двух предприятиях отрасли, получены положительные результаты по обеспечению точности и качества обрабатываемых винтовых канавок.

-129

1. Анпилогов O.A. Технологическое обеспечение точности нарезания внутренних резьб при обработке деталей на многошпиндельных горизонтальных автоматах и полуавтоматах. Дисс. . канд. техн. наук. Тула: ТПИ, 1982.-214 е.

2. Бобров В.Ф. Многопроходное нарезание крепежных резьб резцом. М.: Машиностроение, 1982.

3. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975, 344 с илл.

4. Выбойщик В.Н. Исследование и совершенствование технологических наладок резьбонарезного оборудования с целью повышения точности нарезания резьб метчиками. Дисс. . канд. техн. наук, Челябинск: ЧПИ, 1972.-238 с.

5. Гольдфельд М.Х. Исследование и разработка конструкций и метода расчета режущей части метчиков для работы на агрегатных станках и автоматических линиях.-Дисс. . канд. техн. наук, Челябинск: ЧПИ, 1966.-242 с.

6. Гольдфельд М.Х. Определение осевого усилия при нарезании резьбы метчиком. В сб.: Высокопроизводительная обработка металлов резанием. Челябинск: ЦБТИ, 1966.

7. ГОСТ 16093-81. Резьба метрическая. Допуски. Посадки с зазором.

8. ГОСТ 10177-82. Резьба упорная. Профиль и основные размеры.

9. ГОСТ 25096-82. Резьба упорная. Допуски.

10. Грудов A.A. Резьбообразующий инструмент и пути его улучшения (по данным заводов). В кн.: Резьбообразующий инструмент. Материалы конференции. - М.: НИИМАШ, 1968, с. 3-44.

11. Дарков A.B., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1965 г., 764 с.

12. Дейнеко В.Г. Новые способы накатывания резьб и других профилей. М.: Машгиз, 1961.-159 с.

13. Добрянский С.С. Повышение качества резьб, изготовляемых на металлорежущих станках. Вестник машиностроения, 1983, № 3, с. 58-60.

14. Загурский В.И. Прогрессивные способы обработки резьб. М.-С.: Маш-гиз, 1960.-125 с.

15. Захаренко И.П. Испытание различных смазывающе-охлаждающих жидкостей при работе гаечными метчиками. М.: ВНИИ, 1960. - 37 с.

16. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1978. -729 с.

17. Зорев H.H. Вопросы механики процесса резания. М.: Машгиз, 1956.

18. Зорев H.H. Расчет проекций силы резания. М.: Машгиз, 1958.

19. Иноземцев Г.Г. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с.

20. Кинасошвили P.C. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1968, 384 с.

21. Коноплев В.Н., Матвеев В.В. Силы резания при работе метчиками с комбинированной схемой резания. В кн.: Технология машиностроения. Тула: Издательство Тульского политехнического института, 1971, вып.23, с.40-50.

22. Кузнецов В.П., Мирнов И.Я., Номикоз В.А. Определение погрешности нарезания резьбы в деталях типа «Кольцо ведущее». Передовой производственный опыт, 1990, № 5, с. 61-64.

23. Кузнецов В.П., Номикоз В.А., Якунин К.Н. Обработка винтовых канавок в длинных нежестких деталях. В кн.: Известия Тульского государственного университета, Серия: Машиностроение, вып. 1. Тула: ТГУ, 1997, с. 60-67.

24. Кузнецов В.П., Якунин К.Н. Определение радиальных деформаций секторов в деталях типа «Кольцо ведущее». Материалы I научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов НИ РХТУ-97. Новомосковск: НИРХТУ, 1997, с.

25. Лашнев С.И., Юликов М.И. Проектирование режущей части инструментов с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1980. - 206 с.

26. Лоладзе Г.Н. Износ режущего инструмента. М.: Машгиз, 1958.

27. Лопухов В.П. Метчик с режуще-выглаживающими зубьями. Станки и инструмент, 1983, № 6, с. 17-18.

28. Лопухов В.П. Метчик для нарезания точных резьб. Авт. вид. СССР №483206. Опубл. в Б.И., 1975, № 33.

29. Матвеев. В.В., Гольдфельд М.Х., Мирнов И.Я., Выбойщик В.Н. Метчик. Авт. вид. СССР № 323208. Опубл. в Б.И., 1972, № 1.

30. Матвеев В.В. Метчик для нарезания точных резьб. Авт. вид. СССР №139906. Опубл., в Б.И., 1961, № 14.

31. Матвеев В.В. Нарезание точных резьб. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978. - 88 с.

32. Мирнов И.Я., Анпилогов O.A., Загородский В.В. Метчик для нарезания точных резьб. Авт. свид. СССР. Опубл. в Б.И., 1981, № 45.

33. Мирнов И.Я., Загородский В.В. Новые конструкции метчиков для получения высокоточных и качественных резьб. В кн.: Прогрессивные технологические процессы образования резьбовых соединений. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1980, с. 5-7.

34. Мирнов И.Я., Кузнецов В.П. Прогрессивная технология изготовления специальных резьбонарезных инструментов, применяемых в отрасли. Обзор. М.: ЦНИИТИКПК, 1990. 58 с.

35. Мирнов И.Я. Метчик для высокоточных резьб. Машиностроитель, 1983, № 5, с. 27.

36. Мирнов И.Я., Номикоз В.А., Кузнецов В.П. Новые конструкции метчиков для получения особо точных упорных резьб с длиной свинчивания до 700 мм. I международная выставка: Машиностроение, Прогрессивные технологии. Челябинск, 1997, с. 47.

37. Мирнов И.Я Исследование силовых зависимостей при нарезании точных резьб метчиками с ведущими перьями. В кн.: Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки. Сб. научн. трудов № 178. Челябинск: ЧПИ, 1976, с. 54-56.

38. Мирнов И.Я., Щуров И.А. Нарезание высокоточных резьб на токарных многошпиндельных станках. (Теоретические основы, инструмент и технологическое оснащение). Челябинск: ЧГТУ, 1996. - 244 с.

39. ОСТ 84-2370-87. Метчики машинные для нарезания точных резьб (М6.М27). Конструкция Утвержден организацией п/я А-1228. Исполнители: Мирнов И.Я., Анпилогов O.A., Кузнецов В.П. и др. Согласовано с Госстандартом. 46 с.

40. ОСТ 84-1978- 89. Патроны резьбонарезные автоматные качающегося типа. Конструкция Утвержден организацией п/я А-1228. Исполнители: Мирнов И.Я., Анпилогов O.A., Кузнецов В.П. и др. Согласовано с Госстандартом. -59 с.

41. ОСТ 84-2029- 89. Патроны резьбонарезные автоматные плавающе-качающегося типа. Конструкция Утвержден организацией п/я А-1228. Исполнители: Мирнов И.Я., Анпилогов O.A., Кузнецов В.П. и др. Согласовано с Госстандартом. 48 с.

42. ОСТ 84-2410-89. Метчики для нарезания винтовых канавок большого шага. Конструкция Утвержден организацией п/я А-1228. Исполнители: Мир-нов И.Я., Анпилогов O.A., Кузнецов В.П. и др. Согласовано с Госстандартом. 38 с.

43. Пушмин Б.М. Исследование многопроходного нарезания упорной резьбы Дисс. . канд. техн. наук. Тула: ТПИ, 1974. - 157с.

44. Развитие науки о резании металлов /Н.Н.Зорев, Г.И.Грановский, М.Н.Ларин и др./ М.: Машиностроение, 1967. 415с.

45. Рождественский JI.A. Исследование силовых зависимостей при нарезании резьбы гаечными и машинными метчиками. Дисс. . канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1940.

46. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машгиз, 1962. - 952 с.

47. Сердюк A.A. Исследование процесса изготовления точных внутренних резьб резьбонарезными головками. Автореф. дисс. . канд. тенхн. наук, Киев: АЛИ, 1982. - 16 с.

48. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979, 152 с.

49. Снитко Н.К. Сопротивление материалов. Учебное пособие. . Л., изд-во Ленингр. ун-та, 1975 г., 368 с.

50. Сопротивление материалов. Под ред. акад. АН УССР Писаренко Г.С., Киев: Высшая школа, Головное изд-во, 1986 г., 775 с.

51. Сопротивление материалов. Под общ. ред. А.Ф. Смирнова, М.: Высшая школа, 1975 г., 480 с.

52. Справочник по элементарной математике. Под ред. член-корр. АН УССР Фильчакова П.Ф. -, Киев: Наукова думка, 1967,442 с.

53. Фрумин Ю.Л. Высокопроизводительный режущий инструмент. М.: Машиностроение, 1977. -180 с.

54. Ямников A.C., Кузнецов В.П., Якунин К.Н., Мирнов И.Я., Писарев В.М. Метчик для нарезания точных резьб. В кн.: Сборник трудов 3-ей международной технической конференции: Проблемы повышения качества промышленной продукции. Брянск, 1998, с. 188-189.

55. Ямников A.C. Научные основы повышения производительности точности нарезания резьб: на тонкостенных деталях из труднообрабатываемых материалов. Дисс. докт. техн. наук. Тула: ТПИ, 1983. - 532с.19. .Ш (п) 7356 (13) Ш51. 6 В 23 С 5/06