автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности изготовления тонкостенных резьбовых изделий

РГ Б 0«

3 - ДЕК шз

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МАТВИЕНКО АНДРЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК. 621.9. 06-52

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ РЕЗЬБОВЫХ ИЗДЕЛИЙ (;

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Донецк -1999

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Донбасской государственной академии строительства и архитектуры 1 кафедре автомобилей, подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудован! Министерства образования Украины.

Научный руководитель: дохтор технических наук, профессор Михайлов Алексащ

Николаевич, Донецкий государственный технически университет, заведующий кафедрой технолога машиностроения

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Тимофеев Юри

Викторович, Харьковский государственны

политехнический университет, заведующий кафедро технологии машиностроения и металлорежущих станков

кандидат технических наук, доцент Калафатова Людмил Павловка, Донецкий государственный технически университет, доцент кафедры металлорежущих станков инструментов

Ведущая организация: Харьковский научно-исследовательский инсппу

технологии машиностроения, г. Харьков

Защита состоится « » ОыЯоРЯ 1999 г. в Ш час на заседали специализированного ученого совета К 11.052.04 при Донецком государственно! техническом университете по адресу: 340000, г. Донецк, ул. Артема 58, ДонГТУ, б-: учебный корпус, ауд. 6202

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донецкого государственноп технического университета: 340000, г. Донецк, ул. Артема 58, ДонГТУ, 2-й учебный корпус

Автореферат разослан « 9 » Ш7я5ря 1999 г.

Ученый секретарь специалюированного ученого совета, к.т.н,, доц ТТ. Ивченко

к&гъ. чоо. 400,141. г,о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современного машиностроения неразрывно связано с освоением новых высокопроизводительных методов обработки металлов, к числу которых относятся методы, основанные на пластической деформации, а именно холодное выдавливание. Широкое распространение метод холодного выдавливания получил при изготовлении заготовок накидных гаек, втулок, крышек, колпачков и др. деталей цилиндрической формы, используемых в электронной, автомобильной н др. промышленности, с ограниченной толщиной стенки (< 2-3 мм). Общим конструктивным элементом таких изделий является внутренняя или наружная резьба, формирование которой для данных изделий является сложной технологической задачей. В настоящее время отсутствуют эффективные и гибкие технологии изготовления тонкостенных резьбовых изделий и высокопроизводительное оборудование, способные интенсифицировать и комплексно автоматизировать производственные процессы изготовления таких деталей в условиях массового производства.

Связь работы с научными программами. Работа выполнена соответственно программе «Высокоэффективные технологии механосборочного производства», разработанной Министерством науки Украины и государственной теме № Г8-93 (0193Ш27070) "Разработка методов компонирования и проектирования высокоэффективных поточно-пространственных технологических систем непрерывного действия дш сборочных процессов угольного машиностроения".

Целью работы является повышение эффективности изготовления тонкостенных резьбовых изделий с одновременным формированием внешнего кошура изделия методами холодного выдавливания на основе комплексного технологического обеспечения качества и производительности, используя технологические системы непрерывного действия (ТСНД).

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования пластического формообразования внутренней резьбы.

2. Разработать методы анализа и синтеза структур технологических процессов изготовления изделий с резьбой в условиях автоматизированного проектирования.

3. Разработать общую методику анализа и синтеза структур и параметров ТСНД и ее элементов для производства тонкостенных резьбовых изделий, а также общий алгоритм проектирования ТСНД.

4. Дать рекомендации по разработке рациональных конструкций ТСНД и ее элементов.

Назащшу вынесены следующие научные положения:

- силовой режим процесса выдавливания внутренней резьбы на тонкостенном изделии обкатыванием роликами по наружной поверхности зависит от геометрических параметров резьбы, толщины стенки заготовки, контактного трения и величины обжатия заготовки роликами, при увеличении которых повышается усилие деформирования, а так же характеризуется таким напряженно-деформированным состоянием, при котором осевая и тангенциальная деформация заготовки стремятся к нулю;

- структура технологического процесса изготовления тонкостенных резьбовых издели зависит от конструктивных элементов изделий и технологических методов их образования ; формируется на основании отображения множества модулей технологического воздействия множество поверхностей модулей конструкции изделия;

- параметризация технологической системы для производства тонкостенных резьбовьс изделий осуществляется на основании ее компоновочной структуры, которая определяете, способом реализации технологического воздействия и кинематикой взаимодействия инстру мента с заготовкой.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый метод пластического формообразования внутренней резьбы с одно временным формированием наружного контура детали обкатыванием роликами с радиальной i осевой подачей последних, который реализуется на металлорежущем оборудовании и позволя ет повысить эффективность производства за счет снижения расхода материала. Получено вы ражение для определения усилия пластического формообразования резьбы, которое использу ется для проектирования технологической оснастки.

2. На основании установленных закономерностей пластического формообразования внут ренней резьбы с одновременным формированием наружного контура детали разработаны но вые схемы пластического формообразования наружных и внутренних резьб с одновременны;, формированием внутреннего (наружного) контура изделия, которые реализуются как на прес совом, так и на металлорежущем оборудовании, что способствует широкому использован:® методов холодного выдавливания резьб в отечественном машиностроении.

3. На основании разработанного метода формирования структуры технологического про цесса изготовления тонкостенных резьбовых изделий, основанного на представлении любоп изделия модулями конструкции, каждый из которых характеризуется определенными типами видами поверхностей и видами профилей на этих поверхностях, являющимися образами опре деленных модулей технологических воздействий, установлено, что модульный принцип позво ляет сочетать единичные, типовые и групповые технологические решения, обеспечивать гиб кость при формировании структуры технологического процесса.

4. На базе математических моделей, характеризующих структуру и параметры технолога ческой системы непрерывного действия для производства тонкостенных резьбовых изделий установлено, что в качестве входного параметра для проектирования технологической сисгемь является усилие формообразования, и параметризация системы осуществляется на основанш ее компоновочной структуры, которая определяется способом реализации технологической воздействия и кинематикой взаимодействия инструмента с заготовкой.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработаны методы пластического формообразования резьб на тонкостенном изделии которые могут быть реализованы как на прессовом, так и на металлорежущем оборудовании

■о позволяет использовать их в различных производственных условиях и снижать расход ма-риала заготовки та 50-70%.

2. Разработаны алгоритмы проектирования технологических процессов, систем и их эле-этгов для производства тонкостенных резьбовых изделий, которые могут быть использованы >и автоматизированном проектировании.

3. Разработанные методы анализа и синтеза структур и параметров технологического про-хса, ТСНД и ее элементов обеспечивают повышение производительности и уровня автома-оации производственных процессов изготовления тонкостенных резьбовых изделий.

Реализация работы в промышленности. Разработанные методы пластического формо-Зразовання внутренней резьбы на тонкостенных изделиях были использованы для изготовле-;м втулок с внутренней резьбой в ОАО «Махеевский завод шахтной автоматики» и для изго-звления накидных гаек в ОАО «Горловск-ий машиностроительный завод».

Личный вклад соискателя состоит в проведении экспериментальных исследований, об-1ботке полученных результатов, внедрении результатов работы в промышленности и разра-этке компоновочных и структурных схем технологических систем непрерывного действия и ; элементов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обладали«» на 3-й международной науч.- техн. конф. «Современные проблемы машиностроения технический прогресс» (г.Донецк, ДонГТУ: г. Севастополь, 1996 г.), 4-й межд. науч.- техн. онф. «Прогрессивные технологии машиностроения а современность» (г. Донецк, ДонГТУ: г. евастополь, 1997 г.), 5-й межд. науч.- техн. конф. «Машиностроение и техносфера на рубеже JQ века» (г. Донецк, ДонГТУ: г. Севастополь, 2998 г.), 4-й межд. науч.- метод, конф. «Крита-есхие технологии, автоматизация проектирования и производства изделий в машинострое-ии» (г. Киев, ИСМО: г. Алушта, 1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести азделов, заключения, перечня использованных источников из 124 наименований, 4 приложена и содержит 123 страницы машинописного текста, 4 таблицы и 43 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и задачи ис-ледований, перечислены основные научные положения и закономерности, которые получены втором и имеют научную и практическую ценность.

В первой главе на основании анализа известных работ И.З. Баса, В.Г. Дейнеко, В.А. Ев-тратова, В.Н. Загурского, В.В. Лапина, В.М. Меныдакова, В.А. Огороднтсова, Э.В. Рыжова, I.P. Симонова, Г.В. Сопилкина, Г.П. Урлапова, Ю.Л. Фрумина и др. показано, что в настоящее ;ремя эффективными методами пластического формообразования внутренних резьб на тонко-тенных изделиях (с толщиной стенки менее двух шагов резьбы) являются радиальный обжим i редуцирование в жесткой матрице, которые позволяют одновременно формировать наруж-

ный контур детали и внутреннюю резьбу. В работах В.А. Евстратова и Г.В. Сопилкина аналитически определены условия полного заполнения профиля резьбы, обоснованы параметры напряженно-деформированного состояния, которое исключает осевое течение металла заготовки. При таких условиях обеспечивается равномерное течение металла во все витки, хорошая его микроструктура, симметричное нагружение каждого витка резьбообразующего инструмента и предотвращается его поломка. Резьба, получаемая методами радиального обжима и редуцированием, соответствует средней и грубой точности малой и средней длины свинчивания, ее прочность в среднем в 2 раза выше, чем у нарезанных

Однако разработанные технологии и конструкции штампов для радиального обжима и редуцирования предназначены для изготовления тонкостенных резьбовых изделий в условиях мелкосерийного производства и на стандартных универсальных прессах, а в условиях массового производства такое решение нельзя считать оптимальным. Кроме того, широкое использование основных принципов процесса выдавливания резьбы на тонкостенных изделиях в отечественном машиностроении и повышение эффективности их изготовления возможно только на основе комплексной разработки новых технологических способов выдавливания и технологического обеспечения, ведущих к малоотходным и безотходным технологиям.

В порядке экспериментального поиска были опробованы две схемы формообразования внутренней резьбы (рис.1): обкатывание заготовки 1, закрепленной на резьбовой оправке 2,по наружной поверхности роликами 3 с радиальной (рис. 1, а) н осевой (рис. 1,6) подачей последних. Исключение осевого течения металла достигается использованием жестких ограничительных втулок 4.

а)

б)

Рис1. Схема формообразования внутренней резьбы обкатыванием роликами

Таким образом, повышение эффективности изготовления тонкостенных резьбовых изде-ий сведено к трем этапам: 1) исследование процесса выдавливания внутренней резьбы обка-ыванием роликами и разработка новых схем выдавливания; 2) разработка методов анализа л интеза структуры технологического процесса; 3) разработка методов анализа и синтеза струх-уры, параметров и рациональных конструкций, а также алгоритма проектирования ТСНД и ее лементов для производства тонкостенных резьбовых изделий.

Во второй главе выполнены теоретический анализ и экспериментальные исследования роцесса выдавливания внутренней резьбы обкатыванием роликами и на основе их результатов азработаны новые схемы выдавливания наружных и внутренних резьб ка тонкостенных изде-тх.

При теоретическом анализе приняты и обоснованы следующие допущения: 1) материал аготовки однороден и не упрочняется (<т* = а,); 2) в процессе деформации существуют плоско-ти (перпендикулярные оси детали) раздела течения металла по впадинам резьбы; 3) материал олика абсолютно жесткий и в процессе обкатывания не деформируется (с, „„лР. = 0); 4) объём итка резьбы равен объёму кольца, имеющего профиль резьбы, 5) осевая компонента деформа-ии заготовки в процессе обкатывания отсутствует (ег мг. - 0); б) температурное поле в объе-1е деформируемой заготовки не изменяется (8 1°= 0); 7) тангенциальная составляющая скоро-ти течения металла в процессе деформирования равна нулю (ив - 0); 8) очаг деформации ог->аничен поверхностью контакта ролика е заготовкой и углом захвата металла заготовки роли-:ом.

При выдавливании резьбы контроль заполнения профиля резьбы металлом наиболее точ-ю определяется через задание необходимого усилил деформирования. Для точной оценки 1ЛИЯНИЯ факторов на процесс формоизменения при выдавливании резьбы использовался энергетический метод, основанный на равенстве мощностей внешних и внутренних сил деформн-ювания. Для решения задачи определено поле скоростей в очаге деформации. Исходя из урав-№ния неразрывности в цилиндрической системе координат, получены выражения для определяя скоростей течения металла, скоростей деформации и интенсивности скоростей деформа-1ии. Определены мощности внешних и внутренних сил деформации и на основании соотно-пений между ними определено усилие деформирования (Р) заготовки при выдавливании внут-5енней резьбы обкатыванием роликами:

+г2сЬ)

где Я, - наружный радиус заготовки; К, - радиус ролика; ЗЯ - единичное обжатие заготовки роликом; Ид - наружный радиус деформированной детали; К« - внутренний радиус заготовки; гд - радиус резьбы детали; грт- внутренний радиус резьбовой оправки; 8 - шаг резьбы; г - текущая координата (изменяется от К,, до Гд); г, -текущая координата на поверхности резьбовой оправки (г, = (г — г,«,) tg <р/2), <9 - угол профиля резьбы; ц - коэффициент контактного трепня (изменяется от 0.1 до 0.5); о, - истинное сопротивление деформированию; к -количество витков резьбы; К] - коэффициент заполнения профиля резьбы, равный отношению высоты фактического профиля резьбы к высоте теоретического профиля.

Выражение (1) позволяет определить полное усилие выдавливания внутренней резьбы обкатыванием роликами в зависимости от геометрических параметров резьбы, ролика, заготовки, контактного трения, коэффициента заполнения профиля резьбы , величины единичного обжаггия.

Экспериментальные исследования процесса выдавливания резьбы проводились на токар-но-винторезном станке (16К20) с использованием универсальной технологической оснастки. При исследовании измеряли усилия деформирования и было установлено, что: 1) процесс выдавливания резьбы роликами с осевой подачей состоит из двух последовательных стадий: стадия формирования площадки контакта ролика с заготовкой и стадия собственно выдавливания резьбы (рис.2); 2) с увеличением единичного обжатия, толщины стенки заготовки (рис.3), шага резьбы, коэффициента заполнения профиля резьбы (рис.4) и угла переднего конуса ролика (при осевой подаче) значительно увеличивается усилие деформирования; 3) использование в качестве смазок дисульфида молибдена, графита и парафина позволяет значительно снизить усилие деформирования особенно при выдавливании резьбы с крупным шагом; 4) эллиисносгь изделия увеличивается с повышением единичного обжатия заготовки (рис.5); 5) оптимальный угол переднего конуса ролика с точки зрения благоприятного течения металла во впадины резьбы должен составлять 1-2'; б) параметры резьбы изделия соответствуют грубой точности (7Н, 7в) малой и средней длины свинчивания. Кроме того, установлено, что выдавливание резьбы при малых обжатиях нежелательно, т.к. в этой случае ухудшается качество ее наружной поверхности из-за переупрочнения (рис. 6). Установление максимальной величины обжатия заготовки роликами, которая не приводит к возникновению тангенциальная деформации, является сложной задачей, т.к. эта величина зависит от многих факторов. На рис.7, рис.8 и рис.9 приведены зависимости относительного изменения наружного диаметра(До>) заготовки от зазора (Д)на оправке, величины обжатия (511) и соотношения диаметров ролика и заготовки (ЦрЮз) соответственно. В качестве обобщающего параметра, характеризующего процесс обжатия заготовки роликами, введено понятие - «коэффициент охвата» (К,), который характеризует степень охвата роликами заготовки и равный отношению суммарной длины контакта роликов с заготовкой к длине окружности заготовки:

2-я кз

3.5

Р,кН 3 г.5 г 1.5 1

0,5

/

/

/ ! :

/

-2

Р.кН 3 2,5 2 1.5 1 0,5 0

-1

«-2

о—1«

« — г

- 3

Рис.2. Кривые, характеризующие процесс выдавливания резьбы обкатыванием роликами с радиальной и осевой подачей (1 - осевап подача, 2 - радиальная подача).

Рпе.З Зависимость усилия деформирования от частоты вращения заготовки (1 и 1 * - радиальная подача при толщине стенки заготовки 1мм и 0.5 мм соответственно; 2 и 2* - осевая подача при толщине стенки заготовки 1 мм и 0.5 мм соответственно, 3 - теоретсгческая кривая)

Рис. 4 Зависимость усилия деформирования от коэффициента заполнения профиля резьбы (1, 2, 3 - радиальная подача, 1*, 2*, 3* - осевая подача, 1 и 1* - М10х1, 2 и 2* - М14х1.5, 3 и 3* - М18х2; 4 - теоретическая кривая.)

Рис.5 . Зависимость эллипсности изделия от длительности выдавливания резьбы (1 и I* - радиальная подача; 2 и 2* - осевая подача; 1 и 2 -толщина стгнки заготовки 1 мм; 1* и 2* - толщина стенки заготовки 0.5 мм).

3,5

Ra, |ш э

2,5 z

i

&5 O

L i А _ щ

ik^siumsii

г»*»

^ & #

Ao,

0,6 'as

0.4 0,3 ОЛ 0.1 o

f

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1.1 1.3 1,5 Д .мм

п, мин

Рио.6 Зависимость шероховатости наружной поверхности заготовки от частоты вращения при различных длительностях выдавливания резьбы (1, 2 - АВ, длительность выдавливания 5 и 15 с соответственно; 1*, 2* - Л96, длительность выдавливания 5 и 15 с соответственно)

Рис. 7 Зависимость относительно го изменения диаметра заготовки от за зора на оправке при обжатии родикаш (1- = 0,16 мм; 2 - 8Я = 0,20 мм)

Аоа

0,3 0SS 02 0,15 0,1 OÍS

о

¡k —J

*

—< р зг' ¿ L

Ц12 0,16 02

0,24 0^8 5 я, ми

До»

Рис.8 Зависимость относительного изменения диаметра заготовки от величины обжатия (1,1*- Dp/Ds = 3; 2,2* - Dp/Оз = 4,5; 1 *, 2* - обжатие без оправки, 1,2 - обжатие на оправке с зазором Д = 0,025 мм)

fti о.св а/х

0,04

ода о

1

Ч № 1Л R

п т ю" ю Ор/ Оз

Рис.9 Зависимость относительного изменения диаметра заготовки при обжатии от соотношения диаметров ролика и заготовки (I - 6В. = 0,2 мм; 2 - сК = 0,1 мм).

где b - длина контакта ролика с заготовкой; кр - количество роликов в комплекте.

На основании экспериментальных исследований установлено, что Ко должен быть не Meie 17% с учетом максимальной величины обжатия заготовки. Если К,< 17%, то необходимо ¡еличивать количество роликов в комплекте.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разрабо-1ны новые схемы выдавливания резьб, отличающиеся способом, типом и видом технологиче-;ого воздействия.

В третьей главе разработаны основные принципы проектирования блоков технологиче-:ого воздействия (БТВ - элементов ТСНД), используемых для производства тонкостенных Зьбовых изделий. В основу синтеза БТВ положено вполне определенное отношение между фактером технологического воздействия и видом движения исполнительных органов БТВ. (атематическое выражение структурного синтеза БТВ имеет следующий вид:

S — i ас р (3)

где S - множество конструкций БТВ; i - множество характеров технологического воздей-гвия; р - множество видов движений исполнительных органов БТВ; х - знак декартового про-звеяения.

На основании синтеза БТВ разработаны схемы и матрица синтеза, классификация БТВ и эмпоновочные схемы БТВ для выдавливания тонкостенного стаканчика, резьбы радиальным 5жимом, редуцированием и обкатыванием (рис.10 - 13). Установлено, что конструкция БТВ Знозначно определяет функционирование БТВ, а функционирование БТВ не определяет одно-1ачно конструкцию БТВ.

В четвертой главе на основании анализа существующих методов проектирования техно-огических систем установлено, что общую методику конструирования ТСНД невозможно по-гроить без анализа и синтеза структуры технологического процесса изготовления тоякостен-ых резьбовых изделий.

Разработка структуры технологического процесса осуществлялась на трех иерархических ровнях; подпроцессы, операции, технологические воздействия. Для организации структуры за снову взят модульный принцип, разработанный проф. Базровым Б.М. Отличительной особен-остью предложенной формы организации структуры технологического процесса является :редставление любого тонкостенного резьбового изделия в виде модулей конструкции, каж-;ый из которых характеризуется видами, типами и профилями поверхностей, отношениями ¡ежду ними и систематизацией способов, видов и типов технологического воздействия на по-ерхносги, представленные модулями технологического воздействия. Специфика разработан-[ых методов выдавливания резьбы заключается в том, что технологические воздействия обра-уют группоид поверхностей. Математическая модель структуры технологического процесса и уровне технологических воздействий описывается выражением:

Рис Л 0 БТВ для выдавливания тонкостенного стаканчика

Рис. 11 БТВ для выдавливания резьбы методом радиального обжима

Рис.12 БТВ для выдавливания резьбы методом редуцирования

Рис.13 БТВ для выдавливани резьбы методом обкатывания рс ликами

у.

из

где р; - ¡-я поверхность модуля конструкции изделия; § -¿-й модуль технологического воздействия, формирующий ¡-ю поверхность; а,у - знаки логического сложения и умножения соответственно.

Структуры технологического процесса на уровне подпроцессов и операций представлены графами вида:

<1-СХ,Ц (5)

и

О' = (У, I), (6)

где О - граф, характеризующий структуру технологического процесса на уровне подпроцессов; X - множество подпроцессов технологического процесса; Ь - множество отношений между подпроцессами; в* - граф, характеризующий структуру технологического процесса на уровне операций; У - множество операций технологического процесса; I - множество отношений между операциями технологического процесса.

Разработанная методика анализа и синтеза технологического процесса изготовления тонкостенных резьбовых изделий позволяет сочетать индивидуальные, типовые и групповые технологические решения и систематизировать процесс проектирования технологического процесса на основе модулей конструкции и модулей технологического воздействия и обеспечить его гибкость. Кроме того, разработанный алгор»ггм проектирования операций в технологических процессах позволяет их упорядочить по представленным модулям технологического воздействия.

На основании выполненных исследований приведена классификация технологических процессов изготовления тонкостенных резьбовых изделий и даны рекомендации по применению их на ТСНД. Использование принципа концентрации операций дает возможность изготавливать изделия с резьбой на одной роторной машине.

Далее в работе на основании разработанной структуры технологического процесса разработаны методы синтеза и проектирования ТСНД для производства тонкостенных резьбовых изделий. Синтез ТСНД осуществлялся в следующей последовательности: 1) - синтез структур; 2) - синтез кинематической структуры; 3) - синтез принципиально-структурных моделей ТСНД; 4) - синтез компоновочной структуры ТСНД.

В основу синтеза структуры ТСНД положено гомоморфное отображение структуры технологического процесса изготовления тонкостенных резьбовых изделий на структуру ТСНД. Так как структура технологического процесса отображает структуру ТСНД только в технологической зоне, то подмножества У и I множества в* были дополнены. Математическое выражение структуры ТСНД имеет вид;

»гтсвд^У; I*] (7)

Множество Y* имеет точные верхние (sup) и нижние (inf) грани по длительности технологического воздействия, а элементы множества Y* определяют соответственно два закона композиции: аддитивную (параллельная обработка) и мультипликативную (последовательная обработка). На основании свойств композиции (ассоциативность, коммутативность, дистрибутивность относительно законов композиций) образуется структура ТСНД. Применяя законы и тождества алгебры логики, производится синтез структуры ТСНД.

В основу синтеза кинематической структуры ТСНД положено вполне упорядоченное отношение между элементами ТСНД и способом их движения. Разработана универсальная принципиальная кинематическая схема ТСНД (рис.14), которая позволяет исследовать все возможные варианты кинематики ТСНД и ее элементов.

Рис. 14 Универсальная принципиальная кинематическая схема ТСНД

Математическая символьная модель кинематической структуры ТСНД представлена в следующем виде:

Моутсвд ** В-О^м, иш, ио) и Тгалз^м. Ещ ио> , (8)

где Моукзд - движение ТСНД в выбранной системе координат -хгу (рис.14); ЯоЬкч ьта, ио> - множество вращений роторной машины, Б ТВ, исполнительных органов БТВ в выбранных системах координат - ХоЪу, я х&ф соответственно (рис. 14); Тгап^и^ьщио) - множество перемещений роторной машины, БТВ, исполнительных органов БТВ в выбранных системах координат - ад>у0 и Х|г1у1 соответственно (рис. 14).

В основу синтеза принципиально-структурных моделей ТСНД положен метод, разработанный проф. Михайловым А.Н., основанный на декомпозиции структуры ТСНД и кинематической структуры на элементарные структуры и движения, объединенных в упорядоченные пары и далее в принципиально-структурную модель всей технологической системы. Математиче-

•лесе выражение синтеза принципиально-структурных моделей ТСНД описывается выражени-:м:

п

51гпсмстснд) = II №Щ(тснд)М<"Цтснд)) (9)

/=1

где Бй'псм (тенд) - принципиально-структурная модель ТСНД; 5(г, аент - ¡-я структура ХНД, Мо^оенд) - ья кинематическая структура ТСНД; и - знак объединения.

Принципиально-структурные модели (рис.15 и рис. 16) позволяют рассматривать структу->у ТСНД, ее элементов, кинематику движений, компоновку и расположение всей технологиче-хой системы.

* * I ч

Рис. 15 Прюпдапиально-структурная мо-ель роторной линии с двухрядным распо-ожеяием рабочих роторов

Рис.16 Принципиально-структурная модель роторно-конвейерной линии с двухрядным расположением рабочих роторов

В основу синтеза компоновочной структуры ТСНД для производства тонкостенных резь-овых изделий положен метод, разработанный проф. Тернюком Н.Э., основанный на декомпо-ации суммарной технической функции ТСНД на элементарные технические функции, реали-^емые унифицированной элементарной компоновочной структурой и объединенных в общую омпоновху ТСНД

Разработка структурной модели ТСНД является завершающим этапом схемного рассмотрения технологической системы для производства тонкостенных резьбовых изделий. Далее эебуется только параметризация системы.

В пятой главе разработана общая методика параметризации системы. Ввиду высокой тояености исследования совместного влияния каждого элемента системы на систему в целом, елесообразно систему упростить и укрупнить, выделив в ней основные функциональные клас-л. К таким классам могут быть отнесены системы с сосредоточенными компонентами, а менно: механическая поступательная система; механическая вращательная система; элехтри-гская и электронная система; гидравлическая система; пневматическая система. При таком ибиении системы на классы значительно упрощается ее анализ и исследование. Для исследо-

ваши представленных классов системы использовался математический аппарат теории графов, а именно - полюсных графов, которые позволяют исследовать систему исхода из ее структуры и реализовывать основные принципы автоматизированного проектирования.

В результате выполненных исследований были разработаны параметрические модели БТВ, роторной машины и роторной линии. Для математического описания состава и структуры системы (точнее, класса системы) полюсными графами, использовались два типа соотношений: 1) полюсные уравнения, характеризующие индивидуальные свойства каждой компоненты класса системы безотносительно к возможным соединениям с другими компонентами и 2) уравнения связей, отражающие характер соединения различных компонент в структуре ТСНД безотносительно к их индивидуальным свойствам.

Параметрические модели БТВ, роторной машины и роторной линии представлены матрицами инциденций полюсных структурко-функциональных графов, описывающих структуру и параметры указанных систем.

Проведенный анализ надежности и производительности ТСНД к ее элементов для производства тонкостенных резьбовых изделий показал, что производительность роторно-конвейерных машин примерно в 2 раза выше, чем у роторных машин и в 50-60 раз вьппе, чем у пресса. Поэтому, для достижения высокой производительности изготовления тонкостенных резьбовых изделий необходимо применять роторно-конвейерные машины и линии, но с учетом типа производства и конъюнктуры рынка.

На основании выполненных исследований разработан общий алгоритм проектирования ТСНД для производства тонкостенных резьбовых изделий. Показано, что проектирование ТСНД представляет собой сложную многокритериальную задачу синтеза, решение которой сводится к поиску оптимального варианта по обобщающему критерию качества ТСНД.

В шестой главе приведены общие сведения о промышленной апробации выполненных исследований, которые были использованы для производства тонкостенных втулок (толщина стенки 1.5 мм) из ¡туш марки Л96 с внутренней резьбой М10х1, нахидных гаек (толщина стенки 2 мм) из латуни марки Л62 с внутренней резьбой М22х1.5, накидных гаек (толщина стенки 2 мм) из алюминия марки АВ с внутренней резьбой М27х1.5. В качестве заготовок были использованы мерные заготовки из трубы, разделанные клиновыми роликами и завальцован-ные под накидную гайку. Таким образом, была реализована безотходная технология изготовления тонкостенных резьбовых изделий, снижен расход материала на 50-70%, повышена прочность резьбы и ее износостойкость.

ВЫВОДЫ

Разработан комплекс технологического обеспечения качества и производительности пластического формообразования резьбы с применением технологических систем непрерывного

действии, позволяющий повысить эффективность изготовления тонкостенных резьбовых изде-111Й.

В результате выполненных исследований установлено следующее:

1. Процесс выдавливания внутренней резьбы на изделиях обкатыванием роликами и качество резьбы обеспечивается такой схемой напряженно-деформированного состояния, при которой осевая и тангенциальная компоненты деформации стремятся к нулю.

2. Основными факторами, влияющими на процесс выдавливания резьбы обкатыванием эоликами, являются: геометрические параметры резьбы, ролика, толщина стенки заготовки, зеличина контактного трения между поверхностями резьбообразующего инструмента и заготовки, коэффициент заполнения профиля резьбы, а также величина единичного обжатия заготовки роликами. Получено выражение для определения усилия деформирования заготовки, которое может быть использовано для проектирование силовых узлов технологических систем.

3. Разработанный метод анализа и синтеза структур технологических процессов изготов-тения изделий с резьбой, основанный на модульном принципе, обеспечивает гибкость проектирования технологического процесса и может бьпъ использован в условиях автоматширо-занного проектирования.

4. Разработанный метод анализа и синтеза структур и параметров ТСНД и ее элементов хля производства тонкостенных резьбовых изделий, основанный на положениях теории мно-кесгв, полюсных графов и законах и свойствах алгебры логики, позволяет в условиях автоматизированного проектирования создавать различные их структурные и параметрические вари-даты.

5. Разработанный общий алгоритм проектирования ТСНД для производства тонкостенных резьбовых изделий позволяет реализовать конкретные конструкции ТСНД и ее элементов з условиях автоматизированного проектирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Михайлов АЛ., Сопилкин А.Г., Матвиенко A.B. Оптимальная технология изготовле-тя резьб тонкостенных деталей // Современные проблемы машиностроения и технический трогресс: Тез. докл. межд. науч.-техн. конф. 10-18 сект. 1996 г. Донецк ДонГТУ, 1996. - с. 161162.

2. Михайлов А.Н., Матвиенко A.B. Новые процессы формообразования резьбовых по-зерхностей // Критические технологии, автоматизация проектирования и производства изделий з машиностроении: Сб. науч. стат. По материалам 4-й межд. науч.-метод. конф. Киев: ИСМО. Алушта, 1997. - с. 30-36.

3. Матвиенко AJ3., Михайлов А.Н. Синтез принципиальных кинематических систем ро-горной компоновки для производства изделий с резьбой // Прогрессивные технологии машиностроения и современность: Сб. трудов 4-й межд. науч.-техн. конф. 9-12 сент 1997 г. Донецк: ЦонГТУ -1997. - с. 154-155.

4. Матвиенко А-В., Сопилкин А.Г., Авдеев В.И. Новые способы формообразования резьбовых поверхностей П Прогрессивные технологии машиностроения и современность: Сб. трудов 4-й межд. науч.-техн. конф. 9-12 сенг. 1997 г. Донецк: ДонГТУ, - 1997. -с. 155.

5. Матвиенко А.В., Михайлов АН., Доронин Д.И. Структурирование модульных технологических процессов // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. науч. трудов. Донецк: ДонГТУ, 1998, Вып. 5. - с.106-112.

6. Матвиенко А.В., Михайлов А.Н., Кудрявцев А.А. Повышение эффективности изготовления тонкостенных резьбовых изделий // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Межд. сб. науч. трудов: Спец. выпуск - Материалы 5-й межд. науч.-техн. конф. «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века». Т.2 - Донецк: ДонГТУ. Вып. б, 1998 - с.201-203.

7. Евсгратов В. А., Матвиенко А.В., Михайлов А.Н. Анализ силового режима выдавливания внутренней резьбы на тонкостенном изделии // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Межд. сб. науч. трудов. Донецк: ДонГТУ, 1999, Вып. 7. - с.56 -60.

8. Евсгратов В.А., Михайлов А.Н., Крахт В.Б., Матвиенко А.В., Сопилкин А.Г. Малоотходные технологии изготовления резьбовых деталей И Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Сб. науч. трудов. - Донецк: ДонГТУ, 1997. Вып.4- с.38-42.

В работах соискателем выполнено следующее: {1] - разработаны структурные модели технологических систем непрерывного действия для производства тонкостенных резьбовых изделий; [2] - предложены кинематическая та математическая модели технологических систем непрерывного действия для производства тонкостенных резьбовых изделий; [3] - разработаны новые схемы пластичного формообразования резьбы н проведены экспериментальные исследования влияния вида смазок на усилие выдавливания; [4] - предложены пути использования новых методов пластического резьбсобразования; [5] - предложено новое представление модульной технологии и разработана математическая модель организации технологического процесса изготовления тонкостенных резьбовых изделий; [б] - показаны пути повышения эффективности изготовления тонкостенных резьбовых изделий, используя технологические системы непрерывного действия; [7] - выполнена разработка математических моделей для анализа усилия выдавливания резьбы; [8] - выполнены экспериментальные исследования выдавливания внутренней резьбы обкатыванием роликами.

АНОТАЦШ

Матвкнко А.В. Пщвищення ефективносп виготовлення тонхостшних рсьбових виробш. -Рукопис.

Дисертацм на здобуття наукового ступени кандидата техтчннх наук за спешальшстю 05.02.08 - технолопя машинобудування. - Донецький держааний техмчний утверситет, До-нецьк, 1999.

Дисертацм присвячена питаниям гадвищення ефеетивносп виготовленкя тонкостшних piзьбoвиx вироб1в методами холодного видавлювання на основ! комплексного технолопчного забезпечення якосп та продухтивноеп, використовуючи технолопчга системи безупинноУ да. У дисерташ розроблена нова технолопя видавлювання внутрипнього рпьблення на тон-коспиному в!фоб| методом обкатування I методи аиал1зу 1 синтезу технолопчннх процеав 1 технолопчних систем безупиншн да для реалЪацц «¡а технологи в умовах масового виробниц-тва.

Юпочов! слова: рвьблення, пластична деформащя, холодне втаснювання, аналп, синтез, модульна технолопя, технолопчна система безупинши дй.

АННОТАЦИЯ

Матвиенко А.В. Повышение эффективности изготовления тонкостенных резьбовых изделий. ~ Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Донецкий государственный технический университет, Донецк, 1999.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности изготовления тонкостенных резьбовых изделий методами холодного выдавливания на основе комплексного технологического обеспечения качества и производительности, используя технологические системы непрерывного действия. В диссертации разработана новая технология выдавливания внутренней резьбы на тонкостенном изделии методом обкатывания и методы анализа и синтеза технологических систем непрерывного действия для реализации этой технологии в условиях массового производства. Установлено, что процесс выдавливания внутренней резьбы на тонкостенных изделиях обкатыванием роликами и качество резьбы обеспечиваются такой схемой напряженно-деформированного состояния, при которой осевая и тангенциальная компоненты деформации стремятся к нулю. Основными факторами, влияющими на процесс выдавливания резьбы, являются: геометрические параметры резьбы, ролика, толщина стенки заготовки, величина контактного трения между поверхностями резьбообразующего инструмента и заготовки, коэффициент заполнения профиля резьбы, а также величина единичного обжатия заготовки. Так на основании экспериментальных исследований установлено: 1) процесс выдавливания резьбы роликами с осевой подачей состоит га двух последовательных стадий: стадия формирования площадки контакта ролика с заготовкой и стадия собственно выдавливания резьбы; 2) с увеличением единичного обжатия, толщины стенки заготовки, шага резьбы, коэффициента заполнения профиля резьбы и угла переднего конуса ролика (при осевой подаче) значительно увели-

чивается усилие деформирования; 3) использование в качестве смазок дисульфида молибдена, графита и парафина позволяет значительно снизить усилие деформирования особенно при выдавливании резьбы с крупным шагом; 4) эллипсносгь изделия увеличивается с повышением единичного обжатия заготовки; 5) оптимальный угол переднего конуса ролика с точки зрения благоприятного течения металла во впадины резьбы должен составлять 1-2; б) параметры резьбы изделия соответствуют грубой точности (7Н, 1С) малой и средней длины свинчивания. Кроме того, установлено, что выдавливание резьбы при малых обжатиях нежелательно, т.к. в этом случае ухудшается качество ее наружной поверхности из-за переупрочнения. Увеличение величины обжатая может приводить к возникновению тангенциальной деформации заготовки и ее огранки. В качестве обобщающего параметра, характеризующего процесс обжатия заготовки роликами, введено понятие - «коэффициент охвата», который характеризует степень охвата роликами заготовки и равный отношению суммарной длины контакта роликов с заготовкой к длине окружности заготовки. С увеличением коэффициента охвата процесс выдавливания резьбы может осуществляться при больших обжатиях, что способствует повышению качества изделия и производительности процесса. Для теоретического анализа процесса пластического формообразования резьбы использовался энергетический метод. Получено выражение для определения усилия деформирования заготовки, которое может быть использовано для проектирования силовых узлов технологических систем.

На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые схемы пластического формообразования резьбы иа тонкостенных изделиях, которые могут бьпъ реализованы практически на любом технологическом оборудовании.

Повышение производительности процессов изготовления тонкостенных резьбовых изделий возможно только на базе технологических систем непрерывного действия. На основании анализа существующих методов проектирования технологических систем установлено, что общую методику конструирования ТСНД невозможно построить без анализа и синтеза структуры технологического процесса изготовления тонкостенных резьбовых изделий. Разработанная методика анализа и синтеза технологического процесса изготовления тонкостенных резьбовых изделий позволяет сочетать индивидуальные, типовые и групповые технологические решения и систематизировать процесс проектирования технологического процесса на основе модулей конструкции и модулей технологического воздействия и обеспечить его гибкость. Кроме того, разработанный алгоритм проектирования операций в технологических процессах позволяет их упорядочить по представленным модулям технологического воздействия.

На основании разработанной структуры технологического процесса разработаны методы синтеза и проектирования технологических систем непрерывного действия для производства тонкостенных резьбовых изделий. Синтез технологических систем непрерывного действия осуществлялся в следующей последовательности: 1) - синтез структур; 2) - синтез кинематической структуры; 3) - синтез принципиально-структурных моделей; 4) - синтез компоновочной структуры.

На основании разработанного метода анализа и синтеза структуры технологических систем непрерывного действия установлено, что параметризация технологической системы для производства тонкостенных резьбовых изделий осуществляется на основании ее компоновочной струхтуры, которая определяется способом реализации технологического воздействия и кинематикой взаимодействия деформирующего инструмента с заготовкой. В результате выполненных исследований были разработаны параметрические модели технологической системы непрерывного действия и ее элементов, где в качестве входного параметра выступает усилие деформирования заготовки.

Основные результаты работы были использованы в промышленности для изготовления деталей с внутренней резьбой.

Ключевые слова: резьба, пластическая деформация, холодное выдавливание, анализ, синтез, модульная технология, технологическая система непрерывного действия.

ABSTRACT

A.V.Matveyenko. The increase of effectiveness of thin-walled threads articles making. -Manuscript.

Candidate of Technical Sciences dissertation on specialty 05,02.08 - technology of mechanical engineering. - Donetsk State Technical University, 1999.

The dissertation is devoted to question of the increase of effectiveness of thin-walled articles by the methods of cold pressing out on the basis of all-embracing technological supply of quality and productivity, using technological systems of continuo's action. In the dissertation there was worked out a new technology of pressing out of inner thread on thin-walled articles by the methods of rolling and methods of analysis and syntheses of technological processes and technological systems of continuous action for implementation of this technology in the conditions of mass production.

Key words: thread, plastic deformation, cold pressing out, analysis, synthesis, technology of modulus, technological system of continuous action.