автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Оптимизация параметров новых станков резьбонарезания метчиками

На правах рукописи УДК 621.952.6

Тремасов Алексей Петрович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НОВЫХ СТАНКОВ РЕЗЬБОНАРЕЗАНИЯ

МЕТЧИКАМИ

05.03.01

Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

п,

ОС3344Ы« гэ

Москва - 2008

003449875

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана на кафедре «Металлорежущие станки»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Сергей Николаевич Борисов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Алексей Евгеньевич Древаль

кандидат технических наук, профессор Наталья Павловна Дьяконова

Ведущее предприятие: ЗАО «МСЗ-САЛЮТ»

Московский станкостроительный завод

Защита состоится ¡2 /iík9¿fp£ 2008г. в /£,- час, на заседании диссертационного совета Д212.141.06 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана Телефон для справок: (499) 267-09-63.

Автореферат разослан « 7* » биСщЗ^^х. 2008г.

Ученый секретарь Диссертационного совета д.т.н. доцент

м

* и^

Михайлов В.П.

Актуальность работы. Конкуренция изделий машиностроения является одной из важных причин поиска новых решений при создании технологического оборудования. Известно, что критерием оценки металлорежущего оборудования является его производительность, точность, надежность. Решение проблемы обеспечения этих показателей для гайконарезных станков имеет свои особенности. Высокая производительность сопровождается снижением качества получаемой резьбы, высокая точность резьбы достигается в станках, как правило, имеющих малую производительность. Вместе с тем, имеются неисследованные методы нарезания резьбы в гайках, позволяющие в едином процессе обработки резьбы объединить преимущества непрерывного метода нарезания резьбы (высокая производительность), жесткой фиксации инструмента (повышение качества получаемой резьбы).

В связи с этим, исследование и создание станков на основе этих принципов, позволяющих одновременно повышать точность, производительность гайконарезного оборудования, является актуальным.

Цель исследования. Выявление возможностей создания станков для непрерывного нарезания резьбы в гайках метчиком с жесткой фиксацией, выявление конструктивных особенностей этих станков, исследование и оптимизация их параметров, определение области эффективного использования станков на производстве.

Общая методика выполнения исследования. В работе использованы элементы системного анализа, положения теории резания, математическое моделирование с применением вычислительных средств, теория износа, теория сопротивления материалов, теория вероятности, оптимизация механических систем, элементы экономического анализа внедрения нового оборудования, теоретические основы электротехники.

Научная новизна работы. Впервые расчетами и экспериментальной проверкой показана практическая возможность создания станков для непрерывного нарезания резьбы в гайках на основе новой схемы обработки, предложенной на кафедре «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н.Э. Баумана (устройство для непрерывного нарезания резьбы, а.с. 402436 СССР, МКИ В23 в 1/16, авт. Борисов С.Н.). Новая схема обработки объединяет ряд преимуществ гайконарезных станков, работающих на основе известных непрерывного метода резания и метода жесткой фиксации метчика.

Разработана методика выбора оптимальных кинематических параметров элементов рабочего органа нового гайконарезного станка для обработки выбранного типоразмера резьбы гаек.

Разработана методика для расчета и оптимизации распределения вращающего момента в многопоточной механической передаче, какой в новом станке является зацепление шнеков с хвостовиком. Методика учитывает зависимость распределения нагрузки от податливости элементов на участках зацепления.

I

Практический выход:

Разработанные в диссертационной работе методики и рекомендации позволяют создать станки для непрерывного нарезания резьбы в гайках прямым метчиком с использованием приводных шнеков, выполняющих функции фиксации и привода вращения инструмента, транспортирования заготовок в зону резания. Методика расчета распределения нагрузки и оптимизации конструкций многопоточных механических передач может быть использована в машиностроении при проектировании. Принципы динамического моделирования работы станка, использованные при анализе, могут быть применимы и для исследования работы механических узлов различного назначения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Научных семинарах кафедры «Металлорежущие станки» (МТ1) МГТУ им. Н.Э. Баумана;

2. Международной научно-технической конференции «МА8НЕХ» (2007г.).

3. Технических совещаниях ООО НПП «ИНЖМЕТ».

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 156 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы (60 наименований), иллюстрируется 66 рисунками, а так же включает таблицы и 4 приложения.

В введении обоснована актуальность решаемой проблемы и определены основные задачи диссертационной работы.

В первой главе приведен обзор и анализ станков и методов нарезания внутренней резьбы в гайках метчиком, используемых в современном машиностроении. Рассмотрены их принципиальные особенности, достоинства и недостатки с целью выявления возможности создания новых станков, реализующих в едином процессе обработки резьбы преимущества непрерывного метода нарезания резьбы (высокая производительность), жесткой фиксации инструмента (повышение качества получаемой резьбы). При сравнительном анализе существующего гайконарезного оборудования, с применением метода нарезания резьбы метчиком, была использована теория производительности д.т.н. профессора Г.А. Шаумяна, в полной мере позволяющая спрогнозировать пути развития и направления разработки конструкций гайконарезных станков, для которых в силу своей специфики одним из главных критериев является показатель производительности. На основе обзора выявлены две группы гайконарезных станков: станки прерывистого (или дискретного) действия (имеются значительные холостые ходы), и станки, работающие непрерывным методом (станки, работающие без реверса с С- и Г- образными метчиками). Обработка на станках первой группы характеризуется высокими показателями по точности нарезания резьбы за счет возможности реализации жесткой фиксации инструмента в процессе обработки, но в то же время станки обладают сравнительно малой

производительностью и высокой стоимостью. Гайконарезное оборудование второй группы, использующее непрерывный метод обработки, наоборот, несмотря на относительно невысокую стоимость и значительную производительность, имеет ограниченные показатели по качеству резьбы и универсальности. Исключение реверсивного движения в этих станках увеличивает количество обрабатываемых метчиком гаек. Вместе с тем, отсутствие фиксации инструмента в процессе резания приводит к передаче вращающего момента через резьбовые поверхности гаек, что ограничивает точность обработки, делает сложной автоматизацию смены инструмента. Патентный анализ показал, что за последнее время новые предложения, касающиеся гайконарезного оборудования, направлены на создание конструкций, работающих непрерывным методом и фиксацией метчика в процессе обработки.

Анализ показал, что новая схема обработки, предложенная кафедрой «Металлорежущие станки» соответствует современным тенденциям развития гайконарезного оборудования (рис. 1).

При этом были выявлены следующие преимущества нового станка перед аналогами:

1) Метчик в процессе обработки зафиксирован в осевом и радиальном направлениях, что является желательным для получения качественной резьбы в гайке. При этом используется непрерывный (безреверсный) метод обработки, обеспечивающий высокую производительность. На основании анализа имеющихся данных, максимальная точность резьбы, получаемой на автоматах с метчиками изогнутой формы, может достигать 6-го квалитета. Вместе с тем, фиксация метчика в осевом и радиальном направлении в процессе обработки дает перспективы для получения резьбы более высокого качества за счет наличия при использовании новой схемы таких конструктивных преимуществ, как обеспечение соосности инструмента и направляющей трубы, уменьшение депланации радиальных сечений в режущей части метчика (заборная часть метчика расположена со стороны хвостовика). Отсутствуют факторы, влияющие на смятие резьбы, которые имеют место в станках с изогнутыми метчиками (передача момента на метчик в этих станках осуществляется посредством обработанных гаек, проходящих через хвостовик метчика). Отсутствует необходимость снимать или нанизывать заготовки на хвостовик метчика при его замене как в станках с изогнутым метчиком.

2) Новые станки имеют укороченные кинематические цепи, что снижает металлоемкость и повышает компактность. Последнее может быть использовано для встраивания рабочего узла станка в имеющееся универсальное металлорежущее оборудование в качестве отдельного модуля. Схема рабочего узла нового станка показана на рис.1.

Процесс подачи гаек на метчик и нарезание в них резьбы осуществляется следующим образом. Заготовки гаек в ориентированном положении нанизываются на выступающий конец хвостовика метчика, который меньше

РЗ ' Ш

ПТР

Рис. 1. Схема рабочего органа нового станка. 1 - гайка; 2 - шнек; 3 -хвостовик метчика; 4 - режущая часть метчика; 5 - направляющая труба; 6 - шевронные зубья хвостовика; 7 - шевронные зубья на боковой поверхности шнека; 8 - приводной элемент.

внутреннего диаметра заготовки гайки. Очередная гайка отсекается первым витком шнеков и далее перемещается боковыми поверхностями витков вдоль хвостовика метчика к его режущей части. Впадины витков шнеков должны быть сориентированы при сборке узла так, чтобы их боковые поверхности в зоне контакта витков с хвостовиком метчика находились на одном уровне вдоль оси метчика. После перемещения по хвостовой части метчика, гайка попадает в шестигранную трубу, а затем начинает контактировать с заборной частью метчика. Скорость резания обеспечивается величиной относительной частоты вращения метчика и гайки.

Во второй главе приведен анализ кинематики нового метода обработки гаек. На основе классификации кинематики резания, предложенной профессором Г.И. Грановским, был производен обзор кинематики

гайконарезных станков, проанализированы возможные комбинации движений рабочих элементов.

Этот анализ показал, что в новых станках возможны попутная и встречная схемы обработки, т.е. либо направления вращения метчика и гайки совпадают, но имеют разные частоты вращения, либо имеют встречное вращение. Был разработан график производительности нового станка при выбранном типоразмере гайки (рис.2). Определились зоны попутной и встречной схемы обработки, при которых кинематические параметры элементов рабочего органа находятся в определенных соотношениях.

5 4

Рис. 2. График производительности нового станка при обработке гаек М16 в зависимости от пм при п0тн=С0П31.

1 - зона попутного резания; 2 - зона встречного резания; 3 - зона попутного резания; 4,5 - области допустимого использования станка поверхности шнека.

Конструкция и кинематика рабочего органа должна исключать накопление заготовок гаек перед режущей частью метчика. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы количество заготовок, выходящих из

шнеков в единицу времени - условно «производительность шнеков» (£>шн), была теоретически равна, а практически несколько меньше количества гаек, нарезаемых метчиком в единицу времени - условно «производительность метчика» (Ом):

Производительность метчика в случае, когда гайки поступают на метчик непрерывным потоком, определяется выражением:

бм=Лож1Ег)ШТ/мин.

г

Йр - высота гайки, мм. Рг - шаг резьбы, мм. иотн - относительная частота вращения метчика (им) и трубы (и^):

«отн ="м - «тр, об/мин. Условие исключения накопления гаек перед заборной частью метчика имеет вид:

и . 7 "отн ' Рг "шн ^ ,

к

Диаметр шнека связан с диаметром хвостовика метчика зависимостью:

_ (1-хъ -2.31-к

Дпн -мм,

шн 0.31

где к - половина расстояния между делительными окружностями зубьев шнеков.

На рис. 3 составлен график, отображающий зависимость мощности в приводах станка от частот вращения рабочих элементов.

Анализ мощности резания выявил целесообразность применения

в данном станке попутной обработки в пределах, определенных для выбранного типоразмера гаек.

При этом основной поток мощности в зону резания передается по наиболее жесткой кинематической цепи рабочего узла, а именно цепи привода направляющей трубы (Л^тр). Была разработана методика

определения кинематических параметров элементов рабочего узла в зависимости от типоразмера гайки и последующей корректировки этих параметров с учетом условия исключения накопления заготовок перед режущей частью метчика в соответствии с графиком на рис. 2.

В результате проведенного анализа был составлен алгоритм программы для расчета кинематических параметров станка. На основе положений теории производительности Г.А. Шаумяна рассмотрена возможность интенсификации режимов резания для обеспечения максимальной производительности.

К кВт

Пм,

об/мин

Птр, об/мин

И А> 1 V ¿»'¿а

¿а'

попутная обработка

встречная обработка

попутная обработка

Рис. 3. Распределение мощности в приводных цепях метчика и трубы.

В третьей главе проведен анализ предложенных конструкций элементов, составляющих рабочий узел станка. Конструктивной особенностью нового станка, по сравнению со станками аналогичного назначения, является использование шнеков с шевронными зубьями на внешних поверхностях витков. Как показали исследования, назначенные параметры зубчатой передачи шнек-хвостовик являются приемлемыми при принятых режимах обработки. В рассматриваемой схеме, в соответствии с авторским свидетельством, используется параллельное зацепление трех приводных шнеков с хвостовиком, при котором имеется вероятность повышения напряжения на одном из шнеков. Теоретическое исследование возможных конструкций показало, что целесообразным является применение такой конструкции, где один из шнеков является приводным, а два других шнека вращаются от метчика в холостом режиме. Выявлены зависимости для расчета параметров конструкции шнека и хвостовика. При анализе передачи вращающего момента в приводных цепях нового станка теоретически было установлено, что вращающий момент в наиболее нагруженном месте рабочего узла - зацепления шнек-хвостовик (которое по характеру является многопоточным), распределен неравномерно, в основном, из-за высокой крутильной податливости хвостовика.

На рис.4, б представлена схема для расчета нагрузки в многопоточной зубчатой передаче, которая была принята как эквивалентная рассматриваемой конструкции шнек-хвостовик (рис. 4, а).

Хвостовик инструмента имеет радиальную фиксацию посредством зубчатого зацепления с тремя шнеками.

т

б)

Рис. 4. Передача шнек-хвостовик (а) и расчетная эквивалентная схема четырехпоточного механического зацепления (б).

Крутильная податливость зубчатых элементов передачи приведена к изгибным податливостям соответственно для участков а,Ь,с,с1 хвостовика и для витков шнека соответственно а',Ь',с',с1'.

7],7*2,73,74 - приведенные к валу моменты от сил зацепления звеньев а,Ь,с,(1, Н-м.

При составлении математической модели учитывалось, что распределение нагрузки на параллельных участках представленной механической системы прямо пропорционально их податливости. В рассматриваемой модели считалось так же, что при вращении валов потери

на трение в опорах и местах контакта зацеплений незначительны и не учитывались в расчете. Распределение значений моментов приведенных к валу I на параллельных участках обратно пропорционально их податливости. Система уравнений, описывающая распределения нагрузки в механической системе с четырьмя парами зацепления, имеет вид:

Т\У = .

7)2 и»]]'

722' _ .

Т2з и>22' '

\Туу_= ^^з .

Г34 ^зз'

Т = Ти> +Г12;

Т\2 = Т22' + Т23 >

723 = Г33< + ?34 •

- момент, действующий на участке ¡-к;

" суммарная податливость участка зацепления, учитывающая крутильную податливость валов и определяемая по правилам расчета общей податливости последовательно и параллельно расположенных звеньев механической системы (j = 1 - участок 011' 0');

м>1 % - податливость участка ¡-к.

Разработаны алгоритм и программа для расчета распределения нагрузки в четырехпоточной механической передаче шнек-хвостовик. Результаты расчета показали (рис. 5), что около 70% нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик приходится на первый участок зацепления (для расчета была принята конструкция зацепления шнек-хвостовик в станке для нарезания резьбы в гайках М16 с крупным шагом).

На основе разработанной математической модели предложены пути оптимизации по параметру равномерного распределения нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик. Решена обратная задача, когда при известных равных значениях момента определяются податливости витков шнека, при которых распределение в зацеплении становится равномерным и тем самым, осуществляется оптимизация конструкции.

Кроме этого, методика позволила провести теоретическое исследование распределения нагрузки в зацеплении в зависимости от места приложения момента к приводному шнеку. Было проанализировано три схемы: 1) схема 1 - передача вращающего момента на виток приводного шнека, ближайшего к зоне резания (как показано на рис. 1); 2) схема 2 - передача момента на виток, наиболее удаленного от зоны резания; 3) схема 3 - передача момента одновременно на все витки шнека.

№витка

Рис. 5. Распределение нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик для схемы, приведенной на рис. 4, а.: 1 - неоптимизированная конструкция; 2 - оптимизированная.

Проведенный анализ показал, что в случае неоптимизированной конструкции шнека, характер распределения в любой из схем зацепления приводного шнека с внешним приводным элементом одинаковый (рис. 6, а). Неравномерность распределения нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик можно уменьшить, если применить приводной шнек с податливостью, приблизительно равной крутильной податливости хвостовика (рис. 6, б).

В этом случае, целесообразным является применение схемы зацепления, где приводной элемент находится со стороны, противоположной зоне резания (схема 2). Расчеты показывают, что срок службы зацепления с оптимизированной конструкцией шнека значительно выше по сравнению с зацеплением с неоптимизированной конструкцией. Применение разработанного общего алгоритма расчета и оптимизации распределения нагрузки в многопоточном зацеплении может значительно увеличить срок службы рабочего узла станка.

Малый диаметр хвостовика, который при определенных значениях не позволяет создать работоспособное зацепление шнек-хвостовик, ограничивает возможности применения новых станков. По этой причине минимальный рекомендуемый типоразмер резьбы в гайке, обрабатываемой на новых станках - М1б.

При исследовании кинематики новой схемы было отмечено, что от быстроты ориентирования заготовки в направляющей части трубы будет

зависеть выполнение условия исключения накопления гаек частью метчика.

перед режущей

5 о 2 я

5

У

я

к

а

У

-Л г

Д - распределение нагрузки по схеме 1 о - распределение нагрузки по схеме 2 □ - распределение нагрузки по схеме 3

№ витка № витка

а) б)

Рис. 6. Распределение нагрузки в зацеплении в зависимости от места приложения внешнего приводного момента на шнек: а) при неоптимизированной конструкции шнека; б) при повышенной крутильной податливости шнека.

В связи с этим была поставлена цель выявления оптимального сечения ориентирующей части трубы и проверки ее пропускной способности. Предложено «шестилепестковое» сечение (рис.9), теоретически обладающее высокой пропускной способностью.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований. Первая серия экспериментов была посвящена достоверности математической модели расчета распределения нагрузки в многопоточной механической передаче в зависимости от податливостей элементов зацепления. Для этого был разработан экспериментальный стенд, имитирующий четырехпарную зубчатую передачу, структура которого приведена на рис. 7.

С помощью соединенных по схеме «полумост» тензометрических датчиков регистрировались изменения силы тока в цепи при нагружении данной механической системы грузами различной массы. Податливость участков цепей была определена экспериментально. На рис. 8 показаны теоретическая и экспериментальная кривые распределения вращающего момента по длине зацепления.

Расхождение результатов теории и эксперимента составило не более 10%, что подтвердило выдвинутую гипотезу о неравномерном распределении нагрузки.

Рис. 7. Структура экспериментального стенда, имитирующего четырехпарную механическую передачу.

№ точки

Рис. 8. Теоретическое и экспериментальное распределения момента Т в системе (точечная кривая - теоретические значения, сплошная -экспериментальные).

Следующая серия экспериментов была связана с исследованием пропускных способностей профилей с различными сечениями. Для этого был разработан экспериментальный стенд, имитирующий работу направляющей

трубы. При обработке результатов эксперимента была использована теория вероятности. Экспериментально подтверждено, что конструкция «лепесткового» профиля, предложенного для ориентирующей части трубы, обладает лучшей пропускной способностью (рис. 9.).

Рис. 9. Лепестковый профиль приемной части направляющей трубы: 1- приемная часть; 2 - граничные стенки.

На основе результатов теоретического исследования, подтвержденного экспериментально, была предложена методика проектирования узлов станка и разработан проект модуля для нарезания резьбы М16 в шестигранных гайках. Работа этого модуля с устройствами загрузки и выгрузки была смоделирована программной среде, позволяющей создать твердотельную динамическую модель. В частности, был использован программный модуль «Reactor» (разработка фирмы «Havok») - приложение, предназначенное для моделирования динамического взаимодействия тел. Работающие элементы станка представляли собой твердотельные элементы, обладающие массой. В процессе взаимодействия тел так же учитывалось и трение. В программной среде имитировались основные процессы, протекающие в ходе движения заготовки от виброзагрузочного устройства до выхода их из станка (рис. 10.). В результате подтвердились все теоретические выводы о правомерности выбранных направлений при создании нового станка. Достоверность самого моделирования проверена экспериментально на работах узла ориентации и виброзагрузочного устройства.

Рис. 10. Этапы прохождения заготовки в процессе динамического моделирования станка.

Выводы:

1. В поисках путей создания оборудования с более высокими показателями при обработки гаек на этапе нарезания резьбы, в работе поставлена и решена задача объединения в едином процессе нарезания резьбы ряда современных схем и методов обработки: метода непрерывной обработки, схемы жесткой фиксации метчика, схемы попутного вращения инструмента и заготовки в процессе резания и создание на основе нового метода станков.

2. Анализ кинематики рабочего органа нового станка выявил две возможные схемы обработки: встречной и попутной. Предпочтительным видом обработки для нового метода является попутная схема обработки, при которой мощность в зону резания передается по цепи вращения направляющей трубы. Разработана методика расчета оптимальных кинематических параметров элементов рабочего органа.

3. Анализ конструкции рабочего узла нового станка выявил аналитические зависимости, необходимые для расчета параметров конструкций проектируемых элементов: шнеков, хвостовика метчика и направляющей трубы.

4. Выявлено наличие значительной неравномерности распределения нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик при использовании исходной конструкции шнека. При использовании такой конструкции значительно

снижалась бы долговечность и надежность работы новых станков, учитывая то, что зубчатый хвостовик имеет относительно малый диаметр.

5. Предложенная в диссертации математическая модель и разработанная программа по расчету распределения нагрузки в многопоточных механических передачах в зависимости от податливостей элементов зацепления показали, что при неоптимизированной конструкции около 70% от нагрузки резания приходится на первый участок зацепления, расположенный со стороны зоны нарезания резьбы.

6. Выявлена возможность и разработана методика для оптимизации конструкции шнека по параметру равномерного распределения нагрузки по его виткам. Равномерное распределение нагрузки делает возможным повышение долговечности работы зацепления шнек-хвостовик в несколько раз. Проведен анализ распределения нагрузки в зацеплении в зависимости от места приложения внешнего момента к приводному шнеку и предложены пути снижения неравномерности распределения.

7. Исследован процесс ориентации заготовок в новых станках при перемещении их из загрузочного устройства к режущей части метчика. На основе проведенного анализа предложены оптимальная форма и методика проектирования ориентирующей части трубы для п-гранных заготовок.

8. Экспериментально подтверждена достоверность математической модели, использованной для расчета неравномерности распределения нагрузки в многопоточных механических передачах. На экспериментальном стенде была проведена проверка теоретических выводов применительно к 4-х поточному механическому зацеплению. Расхождение теоретических и экспериментальных значений неравномерности распределения нагрузки составила не более 10%.

9. Теоретически и экспериментально выявлена оптимальная форма ориентирующей части трубы. Лучшей пропускной способностью обладает шестигранный лепестковый профиль.

10. В программной среде произведено динамическое моделирование работы станка для нарезания резьбы М16 с устройствами загрузки и выгрузки деталей. Достоверность результатов моделирования была подтверждена экспериментально на ответственных этапах цикла обработки (процесс загрузки, процесс ориентации гаек в направляющей трубе).

11. Динамическое моделирование работы нового станка подтвердило достоверность теоретических выводов, предложенных в работе по кинематике и конструкции узлов станка.

12. На основе полученных результатов исследований кинематики и конструкции новых станков была предложена методика проектирования их основных узлов. Используя эту методику, на кафедре был спроектирован специальный модуль, который можно применить в производстве в качестве дополнительного узла универсального оборудования. Разработанные чертежи приняты в бюро оборудования и инструмента отдела механической

обработки ОГТ ЗАО «ЗЭМ» РКК «Энергия» с целью рассмотрения на предмет последующего внедрения этого модуля в производство.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Борисов С.Н., Тремасов А.П. Анализ кинематики рабочего органа станка для непрерывного нарезания резьбы в гайках // СТИН (М). -2007.- №7,- С.2-6.

2. Борисов С.Н., Тремасов А.П. Распределение вращающего момента в зацеплении шнек-хвостовик в станке для непрерывного нарезания резьбы в гайках // СТИН (М).- 2007 - №8 - С. 17-20.

3. Конструкция и расчет элементов главных линий чистовых клетей сортовых станов/ А.Г. Кузьменко, М.А. Поздняков, С.Н. Борисов и др. // СТАЛЬ (М).- 2006 - №4 - С. 61-63.

Подписано к печати 2.10.08 Заказ №565 Объем 1,0 печ.л Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 263-62-01

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СТАНКОВ ДЛЯ

НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ В ГАЙКАХ МЕТЧИКОМ.

1.1. Анализ требований при изготовлении внутренней резьбы в гайках.

1.1.1. Конструктивные различия резьбы в гайках.

1.1.2. Точность резьбы и требования к гайконарезному оборудованию.

1.2. Обзор инструментов и методов нарезания резьбы в гайках.

1.2.1. Анализ конструкций гаечных метчиков.

1.2.2. Кинематика резания в гайконарезных станках.

1.3. Производительность и анализ конструкций гайконарезного оборудования.

1.3.1. Обзор и анализ гайконарезного оборудования.

1.3.2. Обзор гайконарезных станков с безреверсной работой метчика.

1.3.3. Анализ потерь производительности при обработке гаек.

1.4. Предпосылки создания нового станка для непрерывного нарезания резьбы в гайках.

1.4.1. Новый метод для непрерывного нарезания резьбы в гайках метчиком с использованием приводных шнеков.

1.4.2. Задачи, решаемые при создании станка на основе новой схемы непрерывного нарезания резьбы в гайках.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ КИНЕМАТИКИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СТАНКА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ В ГАЙКАХ ПРЯМЫМ МЕТЧИКОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИВОДНЫХ

ШНЕКОВ.

2.1. Кинематические параметры новой схемы и расположение элементов в конструкции рабочего узла.

3 стр.

2.2. Анализ кинематических и силовых параметров нового станка.

2.2.1. Теоретическое исследование производительности элементов рабочего узла и определение области использования нового станка.

2.2.2. Методика выбора кинематических параметров рабочего узла.

2.2.3. Анализ распределения мощности в приводах метчика и направляющей трубы.

2.3. Техническая производительность, интенсификация режимов резания.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕГО УЗЛА НОВОГО СТАНКА.

3.1. Конструкции и применение шнеков в промышленности.

3.2. Анализ конструкции нового шнека.

3.2.1. Выполняемые функции и параметры конструкции.

3.2.2. Шаг винтовой поверхности.

3.2.3. Внутренний диаметр шнека.

3.2.4. Ширина витка шнека.

3.2.5. Расчет параметров опор шнека.

3.3. Исследование распределения нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик и оптимизация конструкции рабочего узла.

3.3.1. Анализ вариантов конструкций рабочего узла.

3.3.2. Цель исследования распределения момента в зубчатом зацеплении шнек-хвостовик.

3.3.3. Методика и алгоритм программы расчета распределения нагрузки в многопоточной зубчатой передаче шнек-хвостовик.

3.3.4. Крутильная податливость участков шпека.

3.3.5. Распределение вращающего момента в зацеплении шнек-хвостовик.

3.3.6. Оптимизация конструкции зацепления шнек-хвостовик.

4 стр.

3.3.7. Анализ схем зацепления шнека с внешним приводным элементом.

3.3.8. Анализ долговечности работы зацепления шнек-хвостовик.

3.4. Анализ механизма ориентации заготовок на новом станке.

3.5. Экономические показатели гайконарезного модуля, созданного на основе исследуемой схемы.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Экспериментальный стенд, имитирующий четырехпоточную механическую передачу.

4.1.1. Условия проведения опытов.

4.1.2. Экспериментальные данные по распределению вращающего момента между парами пластин в стенде.

4.1.3. Определение крутильной податливости пружины.

4.1.4. Определение изгибной податливости пластины и приведение ее к крутильной податливости.

4.1.5. Определение коэффициента тарировки сигнала с тензометрического датчика.

4.1.6. Обработка экспериментальных данных.

4.2. Исследование производительности и выявление оптимальной формы ориентирующей части направляющей трубы.

4.3. Моделирование работы нового станка.

4.3.1. Модели механизмов в программной среде и разработка конструкций новых машин.

4.3.2. Обоснование выбора программного модуля и цели компьютерного эксперимента.

4.3.3. Статическая компьютерная модель. Этапы создания и подготовка к динамическому моделированию.

4.3.4. Достоверность динамического моделирования.

5 стр.

4.3.5. Моделирование работы нового гайконарезного станка с устройствами загрузки и выгрузки деталей.

4.3.6. Анализ результатов моделирования.

4.4. Выводы.

Конкуренция изделий машиностроения является одной из важных причин поиска новых решений при создании технологического оборудования. В металлообработке решение этой задачи определяется, в первую очередь, созданием высокопроизводительного оборудования: разработка станков на основе новых, более эффективных схем и методов резания, в том числе и при получении резьбы. Почти половина всех деталей машин имеет резьбовые поверхности [1]. С другой стороны известно, что критерием оценки металлорежущего оборудования является его производительность, точность, надежность. Указанные проблемы поиска новых схем обработки касаются и гайконарезного оборудования.

Для получения резьбы в гайках общего назначения в настоящее время используются два способа формообразования резьбы: деформирование (накатка, выдавливание) и резание. Метод нарезания резьбы применяется к материалам, не допускающим процесса деформирования, в определенных условиях он так же относительно недорог, проще в реализации. Представленная работа посвящена получению резьбы в гайках методом нарезания метчиком.

В промышленности существует ограниченное число высокопроизводительного специализированного гайконарезного оборудования, использующего способы, заложенные несколько десятилетий тому назад. Для таких станков остаются актуальными задачи получения точных гаек и автоматизация смены инструмента. Известно, что с целью увеличения эффективности процессов механической обработки необходимо создавать станки с высокой степенью автоматизации, себестоимость которых при этом должна оставаться относительно низкой [2], [6]. В настоящее время разработка схем и методов обработки осуществляется благодаря совершенствованию режущего инструмента, успехам в области технологии металлообработки, а так же применения новых конструкционных материалов, обеспечивающих при равной прочности снижение массы оборудования и удовлетворяющих требованиям необходимой точности, жесткости и надежности работы узлов станка.

Этим обусловлена целесообразность научной и практической работы в указанном направлении.

В настоящей диссертационной работе исследуется возможности создания станка на основе новой схемы непрерывного нарезания резьбы в гайках прямым метчиком [3] (приложение 1). Схема предложена на кафедре «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н.Э. Баумана (автор к.т.н., доцент Борисов С.Н.). Новая схема объединяет ряд положительных свойств известных методов: непрерывность процесса резания, жесткая фиксация метчика в осевом и радиальном направлениях, минимальное количество элементов в кинематических цепях.

Создание станка, реализующего в едином процессе нарезания резьбы в гайках указанные преимущества, связано с решением ряда задач теоретического и практического характера: исследование кинематики и обоснование оптимальной кинематической структуры нового станка, оптимизация основных конструктивных параметров, выявление области эффективного применения данного станка на производстве.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Производство гаек в машиностроении имеет массовый характер, при этом наиболее ответственным этапом при обработке гайки является нарезание резьбы. В поисках путей создания оборудования с более высокими техническими показателями при обработке гаек на этом этапе, в работе поставлена и решена задача объединения в едином процессе нарезания резьбы ряда современных схем и методов обработки: метода непрерывной обработки, схемы жесткой фиксации метчика, схемы попутного вращения инструмента и заготовки в процессе обработки. Показана возможность создания станка на основе нового метода.

2. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования возможности создания станка на основе метода непрерывного нарезания резьбы в гайках прямым метчиком с использованием приводных шнеков, предложенного на кафедре «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н.Э. Баумана, выявили область эффективного использования станка на производстве. Станок на основе нового метода рекомендуется для применения в области нарезания резьбы в гайках в серийном и крупносерийном производстве, при обработке гаек типоразмера Ml6 и более.

3. Кинематический анализ исполнительных элементов рабочего органа станка выявил две возможные схемы обработки: встречной и попутной. Предпочтительным видом обработки для нового метода является попутная обработка, при которой мощность в зону резания передается по приводной цепи направляющей трубы, метчик при этом будет являться ведомым элементом. Разработана методика расчета кинематических параметров элементов рабочего органа на основе выявленных зависимостей.

4. Анализ конструкции рабочего узла нового станка позволил предложить аналитические зависимости, необходимые для расчета проектируемых элементов: шнеков, хвостовика метчика и направляющей трубы. Эти зависимости были использованы при проектировании экспериментального гайконарезного модуля.

5. Выявлено наличие значительной неравномерности распределения нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик при использовании неоптимизированной конструкции шнека. При использовании такой конструкции значительно снизились бы долговечность и надежность работы нового станка, учитывая то, что зубчатый хвостовик имеет относительно малый диаметр.

6. Предложенная в диссертации математическая модель и разработанная программа по расчету распределения нагрузки в многопоточных механических передачах в зависимости от податливостей элементов зацепления показали, что при неоптимизированной конструкции около 70% от нагрузки резания приходится на первый участок зацепления, расположенный со стороны зоны нарезания резьбы.

7. Выявлена возможность и разработана методика для оптимизации конструкции шнека по параметру равномерного распределения нагрузки по его виткам. Равномерное распределение нагрузки делает возможным повышение в несколько раз долговечности работы зацепления шнек-хвостовик. Проведен анализ распределения нагрузки в зацеплении в зависимости от места приложения внешнего момента к приводному шнеку и предложены пути снижения неравномерности распределения при других схемах зацепления.

8. Исследован процесс ориентации заготовок в новом станке при перемещении их из загрузочного устройства к режущей части метчика. На основе проведенного анализа предложены оптимальная форма и методика проектирования ориентирующей части трубы для n-гранных заготовок.

9. Простая кинематическая структура станка и компактность рабочего узла делают возможным снижение себестоимости готовой гайки. Благодаря многофункциональности шнеков в новой конструкции упрощается кинематика станка по сравнению с существующими в производстве гайконарезными станками. Предварительные расчеты показывают, что при годовой производительности, гаек Qr = 11178000 шт (М16), годовой экономический эффект составит 567649 руб.

10.Экспериментально подтверждена достоверность математической модели, использованной для расчета неравномерности распределения нагрузки в многопоточных механических передачах. На экспериментальном стенде была проведена проверка теоретических выводов применительно к 4-х поточному механическому зацеплению. Расхождение теоретических и экспериментальных значений неравномерности распределения нагрузки составила не более 10%. 11 .Исследования на экспериментальном стенде, имитирующего работу направляющей трубы, выявил оптимальную форму ориентирующей части трубы. Эта же форма была обоснована ранее теоретически. Наиболее высокой пропускной способностью обладает лепестковый профиль.

12. На основе использования программных приложений, позволяющих произвести динамическое моделирование работы станка с устройствами загрузки и выгрузки деталей, был проведен программный эксперимент. Достоверность результатов моделирования была подтверждена экспериментально на ответственных этапах цикла обработки (процесс загрузки на виброзагрузочном устройстве, процесс ориентации гаек в направляющей трубе).

13. Динамическое моделирование работы нового станка в программной среде подтвердило достоверность теоретических положений, предложенных при исследовании кинематики и особенностей конструкции узлов станка.

14. Положительный эффект использования динамической модели при анализе работы данного станка позволил предложить методику моделирования работы механизмов различного значения. ,

15. На основе полученных результатов исследований кинематики и конструкции нового станка была предложена методика проектирования его основных узлов. Используя эту методику на кафедре «Металлорежущие станки» был спроектирован специальный модуль, который можно применить в производстве в качестве дополнительного узла универсального оборудования. Чертежи разработанного экспериментального модуля для непрерывного нарезания резьбы в гайках приняты в бюро оборудования и инструмента отдела механической обработки ОГТ ЗАО «ЗЭМ» РКК «Энергия» с целью рассмотрения на предмет последующего внедрения этого модуля в производство.

1. Якухин В.Г. Оптимальная технология изготовления резьб — М.: Машиностроение, 1985. 184 с.

2. Потейко А.Д., Тимофеев Ю.В., Мазур Л.Е. Эффективность процессов механической обработки в массовом производстве Киев: Техника, 1980. - 160 с.

3. А. с. 402436 (СССР). Устройство для непрерывного нарезания резьбы / С.Н. Борисов // БИ. -1974.-№42.

4. Якухин В.Г., Ставров В.А. Изготовление резьбы: Справочник М.: Машиностроение, 1989.- 192 с.

5. Дьячков В.Б., Кабатов Н.Ф., Носипов М.У. Специальные металлорежущие станки общемашиностроительного применения: Справочник — М.: Машиностроение, 1983.-288 с.

6. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов —М.: Машиностроение, 1973.-640 с.

7. Алексеев Г. А., Аршинов В. А., Смольников Е. А. Расчет и конструирование режущего инструмента— М.: Машгиз, 1951.— 602 с.

8. Поляков Д.И., Костин А.И. Производство крепежных изделий М.: НИИМаш, 1975.-25 с.

9. Производство метизов / Х.С. Шахпазов, И.Н. Недовизий, В.И. Ориничев и др. М.: Металлургия, 1977.-392 с.

10. Неразъемные соединения в режущих инструментах: Учебное пособие / В.П. Покровский, А.И.Овчинников, С.Е.Коваленко и др.; Под ред. А.Е. Древаля; МГТУ им. Н.Э.Баумана. М., 1997 - 50 с.

11. Фрумин Ю.Л. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент — М.: Машиностроение, 1977.-183 с.

12. Автоматы и автоматические линии. Основы проектирования / Л.И. Волчке-вич, М.М.Кузнецов, Б.А. Усов и др.; Под ред. Г.А. Шаумяна.- М.: Высшая школа, 1976.-230 с.

13. Щуров И.А., Попов М.Ю., Болдырев И.С. Расчет напряжений и деформаций метчиков // Известия Челябинского научного центра. — 1999.— №2.— С. 50 53.

14. Грановский Г.И. Кинематика резания -М.: Машгиз, 1953.—304 с.

15. Древаль А.Е. Расчет и конструирование метчиков: Учебное пособие М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1979.- 32 с.

16. Фрумин Ю.Л. Вспомогательный инструмент к агрегатным станкам и автоматическим линиям —М.: Машиностроение, 1970,-392 с.

17. Якушев А.И., Мустаев Р.Х., Мавлютов P.P. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений М.: Машиностроение, 1979.—214 с.

18. Кузнецов М.М., Усов Б.А., Стародубов B.C. Проектирование автоматизированного производственного оборудования М.: Машиностроение, 1987—288 с.

19. Малов А.Н. Загрузочные устройства для металлорежущих станков: Учебное пособие М.: Машиностроение, 1972. — 400 с.

20. Справочник технолога-машиностроителя; В 2 томах / Под ред. А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986.- Т.2. — 496 с.

21. Производство зубчатых колес: Справочник / С. Н. Калашников,

22. А. С. Калашников, Г. И. Коган и др.; Под общ. ред. Б. А. Тайца. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 464 с.

23. Машиностроение: Энциклопедический справочник; В 16-и т.- М.: Машгиз, 1949.- Т.9: Механизмы в технике / С.А. Акопов, И.И. Артоболевский, Н.С. Черкан и др.; Под общ. ред. Е.А. Чудакова -1209 с.

24. Таурит Г.Э., Пуховский Е.С., Добрянский С.С. Прогрессивные процессы резьбоформирования. Киев: Техника, 1975.- 244 с.

25. Обработка внутренней резьбы на станках с ЧПУ// Стружка: Информационный журнал по металлообработке (М).- 2002 —№1.— С. 16-19.

26. Фрумин Ю.Л. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент // Резьба: Сборник статей — М.: Машгиз, 1964 г.—64 с.26.3аблонский К.И. Зубчатые передачи. Распределение нагрузки в зацеплении — Киев: Техника, 1977. — 208 с.

27. Глухарев Е.Г., Зубарев Н.И. Зубчатые соединения: Справочник — 2-е изд., перераб. и доп. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1983.-270 с.

28. Ривин. Е.И. Динамика привода станков М.: Машиностроение, 1966-204с.

29. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков — М.: Машиностроение, 1985.-199 с.

30. Металлорежущие станки / В.К. Тепинкичев, Л.В. Красниченко, А.А. Тихонов и др. — М.: Машиностроение, 1972.-472 с.

31. Гайконарезные автоматы высокой производительности // Станкоимпорт Ревю (М).- 1986. №84 - С. 13.

32. Кузнецов М.М., Волчкевич Л.И., Замчалов Ю.П. Автоматизация производственных процессов / Под ред. Г.А.Шаумяна. Изд.2-е, перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978. — 431 с.

33. Грудов А.А., Комаров П.Н. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент М.: НИИМаш, 1980. - 64 с.

34. Красноголовцев B.C. Гайконарезное оборудование М.: Машгиз, 1963.— 502 с.

35. Гаркави Л.М. Неравномерность распределения нагрузки по ширине венца шестерни // Повышение несущей способности механического привода. Л.: Машиностроение, 1973.-С.7-12.

36. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для студентов высш. техн. учеб. заведений М.: Высшая школа, 1991.-383 с.

37. Детали машин: Учеб. для вузов / JI.A. Андриенко, Б.А. Байков, К. Ганулич и др.; Под ред. О.А. Ряховского. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. -544 с.

38. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин М.: Высшая школа, 2000.-447с.

39. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.-591 с.

40. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. 8-е изд., переработ, и доп.; Под ред. И.Н. Жестковой. — М.: Машиностроение, 2001. — Т.1.- 902 с.

41. Медвидь М.В. Автоматические загрузочные ориентирующие устройства и механизмы Киев: Машгиз, 1963. - 300 с.

42. Рабинович А.Н. Автоматическое ориентирование и загрузка штучных заготовок-Киев: Техника, 1968.-293 с.

43. Конструкция и расчет элементов главных линий чистовых клетей сортовых станов/ А.Г. Кузьменко, М.А. Поздняков, С.Н. Борисов и др. // СТАЛЬ (М).— 2006- №4- С. 61-63.

44. Х. Шенк. Теория инженерного эксперимента: Пер. с англ. — М.: Мир, 1972.-384 с.

45. Чистяков В.П. Курс теории вероятности — М.: Наука, 1982.- 256с. 48.Тойберт П. Оценка точности результатов измерений: Пер. с нем. — М.: Энер-гоатомиздат, 1988.— 88 с.

46. Четыркин Е.М., Калихман И.Л. Вероятность и статистика М.: Финансы и статистика, 1982.-320 с.

47. Давыдов Б. JI. Редукторы. Конструкции, расчет и испытания М.: Машгиз, . 1963.-474 с.

48. Практикум по организации и планированию машиностроительного производства. Производственный менеджмент/ Е.В. Алексеева, В.М. Воронин, К.А. Грачева и др.; Под ред. Ю.В. Скворцова. М.: Высшая школа, 2004.-431 с.

49. Усов Б.А., Борисов С.Н. Целевые механизмы и роботы: Методические указания к лабораторным работам / Под ред. А.С. Проникова М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана., 1986.-25 с.

50. Политехнический словарь / Гл. редактор И.И. Артоболевский М.: Советская энциклопедия, 1986. - 607 с.

51. Виртуальное моделирование литейных технологий/VCADmaster: Журнал для профессионалов в области САПР (М).- 2006.- №5 -С.36-43.

52. Стабильность и конкурентоспособность // САПР и Графика (М). 2007.— №1- С. 36-37.

53. Кудрявцев Е.М. Mechanical Dekstop Power Pack: Основы работы в системе -М.: ДМК Пресс, 2001.-544 с.

54. ANSYS Solutions: Инженерно-технический журнал (М).-2007 — №4—52с.

55. Верстак А.В. Анимация в 3Ds Мах8. Секреты мастерства СПб.: Питер, 2006- 512 с.202