автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса накатки крупной резьбы на основе совершенствования технологии и конструкции инструмента

005007343

Железков Сергей Олегович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА НАКАТКИ КРУПНОЙ РЕЗЬБЫ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.16.05 -Обработка металлов давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Магнитогорск - 2011

005007343

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университете им. Г.И. Носова»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Моллер Александр Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Герасимов Василий Яковлевич; кандидат технических наук, доцент Барышников Михаил Павлович.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (г. Челябинск).

Защита состоится 24 января 2012 г. в 15°° на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университете им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ФГБОУ ВПО «МГТУ», малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университете им. Г.И. Носова».

Автореферат разослан « 20у> декабря 2011 г.

Ученый секретарь _ /7 п X

диссертационного совета Ливанов В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ' Актуальность работы. В настоящее время при массовом производстве резьбовых крепежных изделий (болты, винты, шурупы, шпильки и т.п.) формирование резьбы осуществляют, как правило, накатыванием. Применение процессов формирования наружных резьб пластическим деформированием по сравнению с процессами нарезания обеспечивает повышение производительности труда в 3+5 раз, экономию металла (10+15%), а также повышение надежности и долговечности накатанных деталей.

При накатывании крупной резьбы возникают проблемы, связанные низким качеством изделий из-за плохого оформления выступов резьбы и появления отслоений и задиров во впадинах резьбовой поверхности, которые возникают вследствие проскальзывания резьбообразующего инструмента относительно накатываемой заготовки. Вышеуказанные дефекты могут быть снижены или полностью устранены за счет применения рациональных схем и режимов деформирования. Поэтому поиск эффективных технологий и режимов накатывания резьбы с использованием современных методов исследования процессов ОМД позволяет решить актуальную проблему повышения качества крупной резьбы, получаемой пластическим деформированием.

Точность накатанной резьбы зависит от жесткости силовой системы «станок - инструмент - заготовка» и колебания радиальных усилий накатывания, которые возникают в результате колебаний технологических факторов (размеры заготовки, механические свойства материала накатываемой заготовки, условия трения, температура и т.п.). На стадии проектирования технологии накатывания резьбы необходимо прогнозировать влияние этих колебаний на погрешности геометрических размеров получаемых резьб.

Резьбонакатной инструмент работает в условиях интенсивного абразивного истирания рабочих поверхностей. Его износ зависит от внешних воздействий: усилий, действующих на инструмент со стороны накатываемой заготовки, температуры металла, скорости накатки и скорости проскальзывания, марки стали накатываемого изделия и др. Разработка методики прогнозирования износостойкости резьбонакатного инструмента позволит определять его ресурс и необходимость своевременной замены.

Поэтому очевидна необходимость разработки математических моделей и методик, применение которых в расчетах процессов накатывания, позволит с высокой точностью определять напряженно-деформированное состояние в накатываемой заготовке и энергосиловые параметры резьбоформи-рования, что обеспечит высокую надежность поиска рациональных схем и режимов деформирования, с целью повышения качества изделий и износостойкости накатного инструмента.

Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Государственный контракт № 14.740.11.0684 от 12.10.2010 г.

Целью работы является повышение эффективности процессов накатывания изделий с резьбой крупных размеров путем поиска и применения рациональных режимов деформирования и совершенствования конструкции резьбонакатного инструмента.

Задачи исследования:

- выполнить компьютерное моделирование процесса формирования резьбы пластическим деформированием с учетом особенностей процессов накатки, определить напряженно-деформированное состояние в накатываемой заготовке и энергосиловые параметры процесса деформирования;

- усовершенствовать методику прогнозирования точности накатываемой резьбы за счет применения надежных результатов компьютерного моделирования, которые позволят с высокой точностью учитывать колебания технологических параметров в системе «станок - инструмент - заготовка»;

- выявить закономерности контактного взаимодействия резьбонакатного инструмента и накатываемой заготовки и разработать методику прогнозирования стойкости инструмента, с целью поиска новых технических решений по повышению ресурса работы инструмента;

- разработать новые технические решения, применение которых позволит повысить эффективность процесса накатывания путевых шурупов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- усовершенствована методика прогнозирования точности накатываемой резьбы, позволяющая с высокой точностью учитывать влияние колебаний технологических параметров (предел текучести <т0 материала заготовки, температура Т, коэффициент трения Ц , диаметра с10 и длина I участка заготовки под накатку) на изменение диаметра формируемой резьбы;

- установлены закономерности контактного взаимодействия резьбонакатного инструмента и накатываемой заготовки и получена зависимость, описывающая характер изменения касательных напряжений на поверхности контакта, что позволило разработать методику прогнозирования износостойкости инструмента и ресурса его работы;

- выявлены закономерности кинематики процесса формирования резьбы при накатке роликами, плашками и инструментом «ролик-сегменг» и установлено, что максимальное проскальзывание инструмента относительно деформируемого металла наблюдается при накатке роликами;

- экспериментально выявлен эффект закручивания при горячей накатке крупной резьбы тремя роликами и установлено, что подобный эффект не наблюдается при накатке плоскими плашками.

Практическая значимость работы. Разработанные компьютерные модели и методики позволяют с высокой точностью определять напряженно-деформированное состояние в накатываемой заготовке и резьбонакатном инструменте, рассчитывать энергосиловые параметры процессов накатывания, прогнозировать точность накатанных резьб и износостойкость резьбообра-

зующего инструмента, что дает возможность технологам и конструкторам метизных и машиностроительных предприятий с высокой надежностью разрабатывать технологические процессы, проектировать инструмент и резьбо-накатное оборудование.

Практическое использование разработанных технических предложений и решений (патент РФ № 2336140 на изобретение и патенты РФ №№ 39101, 54840 и 107988 на полезные модели) позволяет снизить затраты на производство, повысить качество накатываемых изделий и срок службы резьбонакатного инструмента. Ожидаемый экономический эффект - 14,99 млн. руб.

Реализация работы. Результаты работы использовались в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» при совершенствовании технологии изготовления путевых шурупов, при разработке технических предложений по модернизации резьбонакатных автоматов А2424 применительно к горячей накатке путевых шурупов плоскими плашками.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» по итогам научно-исследовательских работ за 2004-2010 гг., на VII (г. Москва, 2007 г.) и VIII (г. Магнитогорск, 2010 г.) Конгрессах прокатчиков^ на Международных промышленных форумах «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск) в 2007, 2009, 2010 гг., на конкурсе грантов УМНИК (г. Магнитогорск, 2009 г.).

Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 17 научных статьях и тезисах докладов, патенте на изобретение, 3 патентах на полезные модели и зарегистрированной программе доя ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 128 наименований и приложения. Работа содержит 137 стр. машинописного текста, 65 рисунков, 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечена актуальность проблемы повышения эффективности процессов накатки крупной резьбы и необходимость проведения исследований, направленных на совершенствование процессов пластического резьбоформирования, а также сформулирована цель работы.

В первой главе дан анализ выявленных патентно-информационных материалов, в которых отражены основные способы получения резьбы на стержневых изделиях, отмечены недостатки и преимущества различных способов резьбоформирования, приведены некоторые исторические данные о развитии резьбонакатного производства. Отмечен вклад исследователей

М.И. Писаревского, Ю.А. Миропольского, Э.П. Лугового, В.Г. Якухина, А.З. Журавлева, И.А. Биргера, Г.Б. Иосилевича , A.B. Киричека, А.Н. Афонина, В.Я. Герасимова, X. Апеля, В. Нясера, Г. Монтага, Т. Форреса, А. Ямамото, Д. Далласа и др. в решение проблем совершенствования процессов накатывания резьб на стержневых изделиях. Рассмотрены конструктивные особенности путевых шурупов (рис.1), которые в настоящее время применяются в качестве элемента рельсового скрепления верхнего строения железнодорожного пути для прохождения составов большой массы с высокими скоростями. Выполнен анализ технологических процессов изготовления путевых шурупов и причин образования дефектов при их изготовлении. Установлено, что узким местом в технологии изготовления путевых шурупов является накатка резьбы. В конце главы сформулированы основные задачи исследования.

12.5:0.2

Рис.1. Шуруп путевой с шестигранной головкой (ТУ 1293-165-01124323-2005, ТУ 14-176-133-2004) Вторая глава посвящена разработке методики компьютерного моделирования процесса формирования резьбы накаткой на базе программного комплекса «БЕРОКМ-ЗБ», в основу которого положен метод конечных элементов (МКЭ). Математическая задача сводится к решению известных уравнений теории пластичности и теплопроводности при заданных начальных и граничных условиях в напряжениях, перемещениях или смешанного типа для различных областей деформируемого тела. При этом используются следующие основополагающие зависимости и соотношения: дифференциальные уравнения равновесия; дифференциальные зависимости Коши; условие пластичности Губера-Мизеса; уравнение теплового баланса деформируемой среды; законы трения либо по Кулону-Амонтону, либо по Зибелю. При моделировании процессов горячего пластического деформирования используется модель среды, у которой напряжения течения зависят от степени деформации, скорости деформации и температуры.

В основу МКЭ, применяемого в программном комплексе «Е)Е-РСЖМ-ЗО», положен вариационный принцип Лагранжа, согласно которому «истинное состояние системы отличается от всех возможных тем, что сообщает полной энергии деформации минимальное значение».

Расчеты выполняются поэтапно. Величина перемещений, деформаций и напряжений на каждом шаге определяется как

U = U,+AU ; e = s,+A£ ;сг = сг.+Дсг) (l) где U,,£,,<?,- значения перемещений, деформаций и напряжений на предыдущем шаге.

Параметры U,,£,,<Jt должны обеспечивать минимум функционала полной энергии деформации на предыдущем этапе. Функционал включает в себя работу внутренних сил, работу массовых сил и работу поверхностных сил. Задача сводится к определению приращений функций AU,As,Acr, при которых такой функционал имеет минимальное значение. Функционал выражается через матричные и векторные составляющие, а интегралы заменяются суммами и задача сводится к решению систем линейных уравнений относительно перемещений. По найденным значениям ДС/1,ДС/2,...)Дг/ определяются перемещения U, деформации Е, скорости деформации ^, напряжения (J, компоненты тензоров деформации и напряжений, интенсивность деформаций, интенсивность напряжений, силы нормального давления, силы трения на поверхности контакта металла с инструментом, распределение температуру по объему деформируемой среды (температурные поля) и другие параметры.

Моделировался процесс формирования на цилиндрической поверхности кольцевых выступов, профиль которых соответствует профилю резьбы, с помощью инструмента в виде подвижной и неподвижной плашек.

На начальном этапе процесса моделирования, используя графический редактор «КОМПАС», создавали виртуальные объемные модели инструмента и заготовки. Инструмент задавался в виде параллелепипедов, у которых на рабочей поверхности выполнялись продольные канавки с профилем, соответствующим профилю выступов резьбы путевых шурупов. Исходная заготовка задавалась в виде цилиндра с диаметром 21,6 мм.

Объемные виртуальные модели инструмента и заготовки конвертировались в ПК «DEFORM-3D». Плашки устанавливались параллельно с зазором, равным диаметру заготовки, в котором размещалась заготовка. Ось заготовки располагалась перпендикулярно канавкам плашек (рис. 2).

Заготовка разбивалась на элементы в виде тетраэдров. Материал заготовки - сталь 20 (аналог DIN С15). Реологические свойства задавались из базы данных ПК «DEFORM-3D». Начальная температура заготовки варьировалась в диапазоне 900-5-1100° С. Коэффициент трения на поверхности инструмента с заготовкой варьировался в диапазоне 0,2+0,4. Плашки рассматривались как абсолютно твердые тела. При этом нижняя плашка закреплялась, а верхней плашке задавались горизонтальное и вертикальное перемещения.

В результате расчета на каждом шаге определялись перемещения U, деформации Б, скорости деформации £, напряжения (7, компоненты тензоров деформации и напряжений, интенсивность деформаций, интенсивность

напряжений, радиальная и тангенциальная силы давления металла на ин струмент, касательные напряжения на поверхности контакта металла с ин струментом и др. Некоторые результаты расчетов представлены на рис.3,4,6.

Рис.2. Положение инструмента и заготовки на одном из этапов накатки резьбы на путевом шурупе

Рис.3. Осевые напряжения 0"г в накатываемой заготовке

в1ер 400 агок.ЕЧм*л1>/Ра)

Рис.4. Интенсивность напряжений в поперечном сечении накатываемой

заготовки

В третьей главе представлена усовершенствованная методика прогнозирования точности накатанных резьб.

Решению проблемы повышения точности изделий при их штамповке на механических и гидравлических прессах посвящены работы Е.Н.Ланского, Ю.А.Миропольского, М.И.Писаревского, Е.Д.Бродского, В.И.Силанова, А.Я.Нузова, А.З.Журавлева и др.

В данной работе в основу методики прогнозирования точности накатанной резьбы положен разработанный Е.Н. Ланским метод оценки точности изделий, штампуемых на кузнечно-прессовом оборудовании.

На основании анализа известных исследований установлено, что наибольшее влияние на колебание радиальной силы N накатывания оказывают колебания предела текучести сг0 материала заготовки, температуры Т, коэффициента трения /Л , диаметра й0 и длины X участка заготовки под накатку. Радиальная сила Ы, деформирующая заготовку на конечном этапе накатывания, является функцией параметров р< (а0,Т.,//, с1а,Ь,с1)-

Рассматривая деформации упругих и пластических звеньев общей технологической системы "станок - инструмент - заготовка" для случая накатки плоскими плашками, проводилась линеаризация уравнения силового равновесия, путем разложения в ряд по малым приращениям независимых параметров (сг0,Т,/л,с!а,1,с1). В результате соответствующих преобразований получена система уравнений для определения случайных погрешностей диаметра накатываемой резьбы

Ж .

77*' > (2)

М = —-

" С-*

ш

где С - жесткость силовой системы резьбонакатного станка.

Расчет случайных погрешностей диаметра накатываемой резьбы при колебании параметров осуществляется в следующей последовательности.

Используя метод конечных элементов, определяются радиальная сила N накатки в зависимости от параметров Устанавливается

реальный диапазон колебаний технологических параметров и определяется радиальная сила N в зависимости от каждого параметра в нескольких точках диапазона.

Строятся графики изменения радиальной силы N от каждого из параметров (сг0,Г,>и,£/0,Х,£/). Полученные кривые аппроксимируются уравнениями # = /(о-0), лг = /(7> // = /(», # = /(«/,), # = /04 > # = /(</)■ Для оп-

ределения коэффициентов аппроксимирующих уравнений рекомендуется использовать электронные таблицы «Excel».

Определяются частные производные dN_ dN 8N dN dN dN и

Эсг0' ЭГ' 3/z' dda' db' dd вычисляются их значения в средней точки диапазона изменения каждого параметра (сг0 ,T,n,d0,L,d)-

Используя уравнение (2), определяются случайные погрешности диаметра накатываемой резьбы Ad^M^Ad^Ad^Ad, при колебании технологических параметров (a0,T,Ju,d0,L,d) и вычисляется общая случайная погрешность, по которой оценивается точность накатываемой резьбы.. Так как случайные погрешности диаметра накатываемой резьбы, вызванные колебаниями технологических параметров, являются случайными величинами, то они суммируются по правилам сложения случайных величин, то есть геометрически м =л/хмг-

Если суммарная случайная погрешность меньше допуска [A d\ на внутренний диаметр, который регламентируется соответствующей нормативно-технической документацией (НТД), то процесс считается стабильным. При Ad >[Ad\ необходимо либо уменьшать диапазонов колебания технологических параметров Дсг0, AT, A/i,Ad0,AL,Ad, либо увеличивать жесткости С

силовой системы "станок - инструмент - заготовка".

При прогнозировании точности резьбы, накатанной на путевых шурупах, использовался программный комплекс «DEFORM-3D». На основании выполненных расчетов определены радиальные силы N накатки и построены

кривые зависимости N от параметров <J0,T,JU,dQ,L,d. Используя программный комплекс «Excel», построенные кривые аппроксимировались аналитическими зависимостями. При этом получено:

ЛГ = /(£г0)=-14,56 <J02 + 2916,3 СГ0;

N = f(T) = -0,0003f + 0,89867* - 990,94Г+ 389278;

N = f(dor 13,69 d20 - 84,71 dQ + 11143;

N = f (/0 = 3302,9// + 15143; JV = /(I)=162,1£ + 3211.

Определялись частные производные уравнения (2) и вычисляются их значения в средней точки диапазона изменения каждого параметра {a ,T,n,d0,L,d)- Далее определялись случайные погрешности диаметра

накатываемой резьбы Ad^Ad^Ad^Ad^Ad, при колебании технологиче-

ских параметров. Методика использовалась для оценки точности резьбы путевых шурупов.

В четвертой главе выполнен анализ кинематики процесса накатки резьбы и изложена разработанная методика прогнозирования износостойкости резьбонакатного инструмента.

Одной из причин интенсивного износа инструмента и образования поверхностных дефектов является проскальзывание рабочей поверхности резь-бообразующего инструмента относительно накатываемой заготовки. С целью определения проскальзывания инструмента относительно заготовки и выявления наиболее эффективного способа резьбоформирования, при котором наблюдается минимальное проскальзывание, проведены исследования кинематики процесса резьбоформирования с использованием наиболее распространенных способов: цилиндрическими роликами; плоским инструментом (плашки); инструментом «ролик-сегмент» (планетарная накатка).

При накатке цилиндрическими роликами (рис.5) заготовка совершает вращательное движение. Принято, что на конечном этапе накатки резьбы заготовка 1 вращается с угловой скоростью СО , а ролик 2 имеет угловую

скорость Сй\. При этом имеются окружности с радиусом г0 на заготовке и радиусом Ло на ролике, на которых линейные скорости V, одинаковы.

роликами

Тогда относительная скорость проскальзывания во впадине резьбы =_£___(3)

v R+k(R-R.) г +к(гя -гш)

где RH, Rg — наружный и внутренний радиусы ролика; г„, г„ - наружный и внутренний радиусы заготовки; к = h/H коэффициент, характеризующий

положение катящихся без скольжения окружностей, к - расстояние от впадины резьбы до точки на заготовке и инструменте с одинаковыми скоростями; Я - высота выступа.

Аналогичные по структуре зависимости установлены для определения относительных скоростей проскальзывания при накатке плашками и инструментом «ролик-сегмент». Анализ результатов расчетов показал, что минимальная скорость проскальзывания заготовки относительно инструмента имеет место при планетарной накатке резьбы с использованием инструмента «ролик-сегмент». При накатке путевых шурупов плоскими плашками этот параметр возрастает на 13...17 %, а при накатке цилиндрическими роликами -в2,5...3,5 раза.

В основу методики прогнозирования износостойкости резьбонакатно-го инструмента положена энергетическая теория изнашивания твердых тел Крагельского-Гаркунова, согласно которой объемный износ Ш пропорционален работе сил трения Атр в зоне контакта, то есть

ДЖ = 7 ■ А„р , (4)

где Г (м3/Дж) - показателя энергетической интенсивности изнаши-

а>

вания (ПЭИИ), который определяется на основании экспериментальных исследований с использованием специального оборудования (машин трения).

Разработанная методика прогнозирования износостойкости резьбо-накатного инструмента базируется на вышеотмеченном подходе и включает

следующие этапы:

1. Рассматривается перемещение накатываемой заготовки относительно инструмента и определяется количество этапов деформирования. Например, при накатывании резьбы плоскими плашками формирование профиля резьбы практически полностью завершается в конце их заборных частей. Определяется количество оборотов заготовки вокруг своей оси, совершаемых на заборной части = _ 2Ь , где I - длина заборной час-

п(Азаг+а)

ти плашки; ¿заг - диаметр заготовки; й - внутреннего диаметра резьбы. Тогда количество этапов внедрения выступов инструмента в тело заготовки в процессе формирования профиля резьбы равно 2п.

2. Рассматривая г-ый этап формирования впадины резьбы, определяются абсолютная радиальная деформация Ми и длина очага пластической

зоны /,.

3. Используя МКЭ, определяются энергосиловые параметры и напряженно-деформированное состояние в процессе накатки резьбы на каждом этапе резьбоформирования. Определяется этап, на котором эти параметры максимальны (для формирования резьбы плоскими плашками наибольшие напряжения возникают в конце заборной части). Рассматриваются касатель-

ные напряжения Т на поверхности контакта заготовки и инструмента в зоне формирования впадины резьбы. Строится график изменения касательных напряжений Г по длине пластической зоны / (рис.6).

Кривая изменения касательных напряжений Т по длине пластической зоны I аппроксимируется уравнением х = у . В частности, для накатки путевых шурупов из стали 20 при температуре нагрева 10000 С и коэффициенте трения 0,3 получено г = 9,3195^ _ 1 Ю,88;с3 + 411,76л:2 - 441,76*

Рис.6. Изменения касательных напряжений Т в зоне контакта инструмента с заготовкой на конечном этапе накатки.

4. На основании анализа кинематики процесса накатывания резьбы в зависимости от типа применяемого резьбонакатного оборудования определяется скорость проскальзыванияд;/ инструмента относительно заготовки. Затем находится относительное проскальзывание да поверхности инструмента относительно деформируемой заготовки

5. Определяется работа сил трения на поверхности контакта металла с заготовкой в зоне действия максимальных давлений А =)т6Д5с£с ' ^" шиРина пластической зоны (ширина выступа инструмен-

0

та, формирующего впадину резьбы);

6. По формуле (6) определяются объемный износ Д Ж наиболее нагруженного участка инструмента, возникающий при накатке одного изделия, и суммарный объемный износ АЖ^ = ЛЖ • £ > где ^_ количество

накатанных изделий. Сравнивая ЛИ^ с предельно допустимый объемный износом инструмента [д^ ]= А-Ь-1 , где А - половина допуска на внутренний диаметр накатываемой резьбы, получена зависимость, по которой можно определить ¿-количество накатанных изделий до момента образования брака по причине несоответствия внутреннего диаметра резьбы требованиям НТД.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса горячей накатки путевых шурупов, выявлен эффект закручивания при горячей накатке тремя роликами и выполнен расчет энергозатрат на закручивание, разработаны рекомендации по совершенствованию технологии горячей накатки, разработаны новые технические решения по совершенствованию конструкции резьбонакатных плашек и выполнен расчет ожидаемого экономического эффекта.

На основании проведенных экспериментов установлено:

- качество резьбы путевых шурупов соответствует требованиям НТД при значениях диаметра заготовки под накатку в пределах 21,5- 21,6 мм и температуре нагрева в диапазоне 1000+1100 °С:

- внутренние дефекты (газовые пузыри, неметаллические включения, неблагоприятная структура и т.п.) приводят к образованию рыхлостей и пустот в центральных зонах накатанных участков.

С целью выявления причин образования отслоений на поверхности резьбы проведена серия экспериментов. Создавалась искусственная риска, которая наносилась на образующую цилиндрической поверхности прореду-цированного под накатку участка заготовки с помощью резца на строгальном станке Горячую накатку заготовки с риской осуществляли на трехроликовом резьбонакатном станке (модель 3RP-CF, фирма «ORT», Италия). Анализ результатов экспериментов показал:

1. Наличие риски способствует образованию отслоений на накатанной резьбе.

2 В процессе накатки резьбовой участок подвергается существенному закручиванию (рис.7). Используя инструментальный микроскоп, проведены соответствующие замеры и установлено, что в процессе горячей накатки резьбы путевых шурупов тремя роликами происходит закручивание накатываемого участка, причем угол закручивания на каждом шаге резьбы (12,5 мм) составляет ~ 42°...47я.

Рис.7; Резьба путевого шурупа, сформированная из заготовки с искусственной риской на проредуцированном участке.

Для оценки энергозатрат на закручивание, используя программный комплекс «ОЕГСЖМ-ЗО», выполнено моделирование процесса кручения цилиндрического образца диаметром й = 21,5 мм и высотой к = 12,5 мм. Анализ результатов выполненных расчетов показал, что при накатке резьбы на путе-

вых шурупах тремя роликами затраты энергии на закручивание участка заготовки длиной, равной шагу резьбы, составляют 95+105 Дж.

На основании анализа выполненных исследований установлено, что наиболее эффективным способом формирования резьбы на путевых шурупов является горячая накатка плоскими плашками с производительностью 35+40 шт./мин. Предложено создать линию на базе модернизированного накатного станка А2424. Модернизация должна включать увеличение хода ползуна с 785 мм до 1000 мм; увеличение ширины посадочных мест под установку плашек шириной 140 мм; оснащение станка раздельными системами смазки трущихся деталей и смазки и охлаждения инструмента.

Описаны разработанные технические решения по совершенствованию конструкции плашек, применение которых обеспечивает повышение качества накатанной резьбы на путевых шурупах и повышение стойкости резьбообра-зующего инструмента. Выполнен расчет ожидаемого экономического эффекта, который составил 14,99 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С использованием программного комплекса «ВЕРОЫМ-ЗБ» выполнено компьютерное моделирование процесса горячей накатки резьбы на путевых шурупах. При этом рассматривался процесс формирования на цилиндрической поверхности заготовки кольцевых выступов, профиль которых соответствует профилю резьбы путевого шурупа, с помощью инструмента в виде подвижной и неподвижной плашек. На основании выполненных расчетов определены напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры процессе накатки, радиальная и тангенциальная силы, действующие на резьбонакатной инструмент, изменение температуры заготовки в процессе накатывания и другие параметры.

. 2. Усовершенствована методика прогнозирования точности накатанной резьбы. В основу методики положен метод определения случайных погрешностей, возникающих в результате колебаний радиальной составляющей сипы накатывания по причине колебаний предела текучести а0 материала заготовки, температуры нагрева Т, диаметра й0 и длины Ь исходной заготовки, коэффициента трения [1. Используя результаты компьютерного моделирования, определялись случайные погрешности диаметра накатываемой резьбы, возникающие при колебании технологических параметров (<Т0,Т,/Л,с1д,Ь), и вычислялась общая случайная погрешность, по которой

оценивалась точность накатываемой резьбы. На основании выполненных расчетов установлено:

- на точность внутреннего диаметра резьбы путевых шурупов наибольшее влияние оказывают колебания температуры Т нагрева и базисного сопротив-

ления деформации а0, а влияние колебаний коэффициента трения // и диаметра ¿о исходной заготовки незначительно;

- при накатке резьбы путевого шурупа из стали марки 20 плоскими плашками на резьбонакатном станке А2424 (коэффициент жесткости С = 500 кН/мм) суммарная погрешность внутреннего диаметра накатанной резьбы не выходит за пределы регламентированного допуска: [-500 мкм, +500 мкм].

3. Установлены закономерности кинематики процесса резьбоформи-рования при использовании трех наиболее распространенных способа накатывания: тремя роликами, плоскими плашками и инструментом «ролик-сегмент» (планетарная накатка). Определены зависимости, позволяющие определять скорость проскальзывания инструмента относительно накатываемой заготовки. Анализ результатов расчетов показал, что минимальная скорость проскальзывания заготовки относительно инструмента имеет место при планетарной накатке резьбы с использованием инструмента «ролик-сегмент». При накатке путевых шурупов плоскими плашками этот параметр возрастает на 13+17 %, а при накатке тремя роликами - в 2,5+3,5 раза.

4. Установлены закономерности контактного взаимодействия резь-бонакатного инструмента и накатываемой заготовки, что позволило разработать методику прогнозирования износостойкости инструмента и ресурса его работы. Методика базируется на основных положениях энергетической теории изнашивания твердых тел Крагельского-Гаркунова. По результатам компьютерного моделирования процесса накатки резьбы путевого шурупа с использованием программного комплекса «БЕРОЯМ-ЗО» установлен характер изменения касательных напряжений Т по длине пластической зоны и определена работа сил трения Атр на поверхности контакта инструмента с заготовкой в зоне действия максимальных давлений. Конкретные расчеты выполнены для оценки ресурса резьбонакатных плашек для накатки резьбы путевого шурупа из стали марки 20. Рассчитано ожидаемо количество накатанных изделий до момента образования брака по причине несоответствия размеров резьбы требованиям нормативно-технической документации.

5. На основании проведенных экспериментов установлено:

- качество резьбы соответствует требованиям нормативно-технической документации при значениях диаметра заготовки под накатку в пределах 21,5+21,6 мм и температуре нагрева в диапазоне 1000 + 1100 °С;

- в процессе горячей накатки резьбы путевых шурупов тремя роликами происходит закручивание накатываемого участка на угол ~ 42°...47 на каждом шаге резьбы, что следует считать отрицательным фактором, так как на закручивание расходуется дополнительная энергия (=95+105 Дж)\

- наличие дефектов в виде поверхностных рисок и трещин способствует образованию задиров и отслоений на поверхности накатанной резьбы, а наличие внутренних дефектов (газовые пузыри, неметаллические включения, неблагоприятная структура и т.п.) и особенности напряженного состояния

при накатке приводят к образованию рыхлостей и пустот в центральных зонах накатанных участков.

6. На основании проведенных исследований установлено, что наиболее эффективным способом формирования резьбы на путевых шурупов является горячая накатка плоскими плашками с производительностью 35+40 шт./мин, для чего предложено создать линию, в основу которой может быть положен модернизированный накатной станок А2424 ( ОАО «Тяжпрессмаш», г. Рязань). Разработаны новые конструкции резьбонакатных плашек для накатки путевых шурупов, применение которых позволяет повысить качество накатываемой резьбы и стойкость резьбонакатного инструмента. Ожидаемый экономический эффект -14,99 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Патент РФ 39101 на полезную модель, МКИ7 В 21 H 3/06. Инструмент для накатывания наружной резьбы / О.С.Железков, С.В.Кочуков, С.О.Железков // Опубл 20.07.2004. Бюл. № 20.

2. Патент РФ 54840 на полезную модель, МКИ7 В 23 G 7/00, В 23 G 7/02. Инструмент для накати резьбы на путевых шурупах /АД.Носов, С.О.Железков, Л.З.Жуковский // Опубл. 27.07.2006. Бюл. №21.

3. Патент РФ 2336140 на изобретение, МКИ7 В 21 H 3/06, В 23 G 7/02. Инструмент для накатки резьбы на стержневых изделиях / Носов АД., Адамчук C.B., Лебедев В.Н., Болонин АА, Железков С.О. // Опубл. 20.01.2008. Бюл. № 29.

4. Патент РФ 107988 на полезную модель, МКИ7 В 23 G 7/00. Инструмент для накати крупной резьбы / С.О.Железков, Л.З.Жуковский, О.С.Железков // Опубл 10.09.2011. Бюл. №25.

5. Железков О.С., Кочуков C.B., Железков С.О. Расчет сопротивления деформации при решении задач горячей обработки давлением / Сб. науч. тр. «Современные методы конструирования и технологии металлургического машиностроения» - Магнитогорск: МГТУ. 2004. С. 125-127.

6. Железков О.С., Чуйко Е.Ю., Железков С.О. Оценка эффективности процессов штамповки по критерию минимальной неравномерности деформации / Материалы 63-й науч.-техн. конф. по итогам НИР за 2003-04 гг. - Магнитогорск- МГТУ 2004 С. 206-209.

7. Свидетельство № 2005611865 о регистрации программы для ЭВМ «Прикладная библиотека графического редактора КОМПАС-ГРАФИК для решения плоских задач теории упругости с использованием метода конечных элементов» / C.B. Кочуков, С.О. Железков (РФ); заявл. 6.06.2005; зарег. 27.07.2005.

8. Железков О.С, Кочуков C.B., Железков С.О. Перспективы использования горячего накатывания резь бы на путевых шурупах плоскими плашками. // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Сб. науч. тр. - Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. С.205-207.

9. Железков О.С., Кочуков C.B., Железков С.О. Расчет энергосиловых параметров процесса горячей накатки резьбы на путевых шурупах / Производство конкурентоспособных метизов: Сб. науч. тр. под ред. АД.Носова. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. С. 134-137.

10 Семихатский С.А., Железков О.С., Железков С.О. Совершенствование конструкции и технологии изготовления путевых шурупов / Производство конкурентоспособных метизов : Сб. науч. тр. под ред. АД.Носова.- Магнитогорск: ГОУ ВПО

«МГТУ», 2006. С. 132-133.

11. Кочуков C.B., Железков С.О., Семихатский С.А Совершенствование технологии изготовления путевых шурупов / Материалы международ, пром. форума « Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении. - Челябинск, 2007. С. 107.

12. Железков С.О. Исследование процесса горячей накатки резьбы на путевых шурупах / Конкурс грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области: Сб. рефер. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007, с.126-127.

13 Железков О.С., Кочуков C.B., Железков С.О. Моделирование процесса горячей накатки резьбы на путевых шурупах / Труды УП конгресса прокатчиков - М.:

Чермегинформация, 2007. С. 496-498.

14 Железков О.С., Кочуков C.B., Железков С.О. Определение радиальных усилий горячего накатывания резьбового профиля/ Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрегион, сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО

«МГТУ», 2007. С. 310-314.

15. Применение критерия минимальной неравномерности деформации для оценки эффективности процессов обработки металлов давлением / О.С.Железков, Ф.Ф.Гатин, Е.Ю.Чуйко, С.О.Железков // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2009. № 1.

С. 46-48 (издание из списка ВАК).

16 Железков О.С., Железков С.О. Совершенствование конструкции инстр> мента для накатки резьбы на путевых шурупах / Сталь, № 3, 2009. С. 88 (издание и списка ВАК).

17. Оценка эффективности процессов пластического формоизменения по Крит« рию минимальной неравномерности деформации / О.С.Железков, Е.Ю.Чуйю Ф.Ф.Гатин, С.О.Железков// Кузнечно-штамповочное производство. Обработка м< таллов давлением. 2009. № 5. С. 31-34 (издание из списка ВАК).

18 Железков С.О., Железков О.С., Моллер А.Б.. Анализ кинематики процесс накатки наружной резьбы / Моделирование и развитие процессов обработки мели лов давлением: Межрегион, сб. науч. тр.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2009. С 218-223

19 Железков С.О. Применение ультразвуковых колебаний при производсп метизов / Инновации молодых ученых: Сб. докладов УМНИК. - Магнитогорск: ГО

ВПО «МГТУ», 2009. С. 135-138.

20. Железков С.О. Перспективные способы формирования резьбы на путевь шурупах / Материалы международ, пром. форума «Реконструкция промышленнь предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроению) - Чел

бинск, 2010. С. 88-89.

21. Железков С.О., Семашко В.В., Пудов Е.А Эффект закручивания при гор чей накатке крупной резьбы роликами / Обработка сплошных и слоистых материале Межвуз сб науч. тр. Вып. 36.-Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2010. С. 106-108.

22 Железков О.С., Железков С.О., Семашко В.В. Особенности горячей накат: резьбы на путевых шурупах тремя роликами / Кузнечно-штамповочное производств Обработка металлов давлением. 2011. № 3. С. 31-33 (издание из списка ВАК).

Подписано в печать 16.12.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага тип. № 1. Плоская печать. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 902.

455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38 Полиграфический участок ФГБОУ ВПО «МГТУ»

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЗЬБ НА СТЕРЖНЕВЫХ ИЗДЕЛИЯХ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Способы формирования наружной резьбы накаткой. Анализ результатов известных исследований в области накатки резьбы.

1.2. Путевые шурупы: конструкции и технологии изготовления.

1.3. Анализ причин образования брака и дефектов при накатке крупной резьбы.

1.3. Задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ РЕЗЬБЫ НАКАТКОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

2.1. Основные положения метода конечных элементов, используемые в программном комплексе «БЕРОКМ-ЗБ».

2.2. Результаты компьютерного моделирования процесса накатки резьбы на путевых шурупах.

3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТОЧНОСТИ НАКАТАННОЙ РЕЗЬБЫ.

3.1. Проблемы обеспечения точности резьбы при накатывании.

3.2. Жесткость резьбонакатных станков.

3.3. Основы методики определения случайных погрешностей накатанной резьбы.

3.4. Прогнозирование точности резьбы путевых шурупов, формируемой накаткой плоскими плашками.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ НАКАТКИ РЕЗЬБЫ.

4.1. Основы методика прогнозирование износостойкости

4.2. Исследование кинематики процесса формирования крупной резьбы при использовании различных способов накатывания.

4.3. Определение показателя энергетической интенсивности изнашивания (ПЭИИ).

4.4. Расчет ресурса работы плашек для горячей накатки путевых шурупов.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА НАКАТКИ РЕЗЬБЫ НА ПУТЕВЫХ ШУРУПАХ. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И КОНСТРУКЦИИ НАКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА.

5.1. Влияние диаметра под накатку и температуры нагрева заготовки на качество резьбы.

5.2. Исследование причин образования брака по внутренним дефектам.

5.3. Влияние поверхностных дефектов на качество резьбы. Эффект закручивания.

5.4. Выбор рациональной технологии изготовления путевых шурупов.

5.5. Новые технические решения по совершенствованию конструкции резьбонакатных плашек.

5.6. Расчет ожидаемого экономического эффекта.

В настоящее время при массовом производстве резьбовых крепежных изделий (болты, винты, шурупы, шпильки и т.п.) формирование резьбы осуществляют, как правило, накатыванием. Применение процессов формирования наружных резьб пластическим деформированием по сравнению с обработкой резанием обеспечивает повышение производительности труда в 3-5 раз, экономию металла, а также повышение надежности и долговечности накатанных деталей [1,2].

При накатывании крупной резьбы возникают проблемы, связанные с низким качеством изделий из-за плохого оформления выступов резьбы и появления отслоений и задиров во впадинах резьбовой поверхности, которые возникают вследствие проскальзывания резьбообразующего инструмента относительно накатываемой заготовки. Вышеуказанные дефекты могут быть снижены или полностью устранены за счет применения рациональных схем и режимов деформирования. Поэтому поиск эффективных технологий и режимов накатывания резьбы с использованием современных методов исследования процессов ОМД позволяет решить актуальную проблему повышения качества крупной резьбы, получаемой пластическим деформированием.

Точность накатанной резьбы зависит от жесткости силовой системы «станок - инструмент - заготовка» и колебания радиальных усилий накатывания, которые возникают в результате колебаний технологических факторов (размеры заготовки, механические свойства материала накатываемой заготовки, условия трения, температура и т.п.). На стадии проектирования технологического процесса накатывания резьбы необходимо прогнозировать влияние этих колебаний на погрешности геометрических размеров получаемых Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Государственный контракт № 14.740.11.0684 от 12.10.2010 г. резьб и определять рациональные режимы, обеспечивающие получение изделий высокой точности.

Резьбонакатной инструмент работает в условиях интенсивного абразивного истирания рабочих поверхностей. Его износ зависит от внешних воздействий: усилий, действующих на инструмент со стороны накатываемой заготовки, температуры металла, скорости накатки и скорости проскальзывания, марки стали накатываемого изделия и др. Разработка методики прогнозирования износостойкости резьбонакатного инструмента позволит определять его ресурс и необходимость своевременной замены.

Поэтому очевидна необходимость разработки математических моделей и методик, применение которых в расчетах процессов накатывания, позволит с высокой точностью определять напряженно-деформированное состояние в накатываемой заготовке и энергосиловые параметры резьбоформирования, что обеспечит высокую надежность поиска рациональных схем и режимов деформирования, применение которых позволит повысить качество изделий и износостойкость накатного инструмента.

Целью работы являлось повышение эффективности процессов накатывания изделий с резьбой крупных размеров путем поиска и применения рациональных схем и режимов деформирования и совершенствования конструкции резьбонакатного инструмента.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- усовершенствована методика прогнозирования точности накатываемой резьбы, позволяющая с высокой точностью учитывать влияние колебаний технологических параметров (предел текучести а0 материала заготовки, температура Т, коэффициент трения /и, диаметра и длина Ь участка заготовки под накатку) на изменение диаметра формируемой резьбы;

- установлены закономерности контактного взаимодействия резьбонакатного инструмента и накатываемой заготовки и получена зависимость, описывающая характер изменения касательных напряжений на поверхности контакта, что позволило разработать методику прогнозирования износостойкости инструмента и ресурса его работы;

- выявлены закономерности кинематики процесса формирования резьбы при накатке роликами, плашками и инструментом «ролик-сегмент» и установлено, что максимальное проскальзывание инструмента относительно деформируемого металла наблюдается при накатке роликами;

- экспериментально выявлен эффект закручивания при горячей накатке крупной резьбы тремя роликами и установлено, что подобный эффект не наблюдается при накатке плоскими плашками.

Выводы по главе 5.

1. На основании проведенных экспериментов установлено, что качество резьбы соответствует требованиям нормативно-технической документации при значениях диаметра заготовки под накатку в пределах 21,5- 21,6 мм и температуре нагрева в диапазоне 1000 - 1100 °С.

2. Внутренние дефекты (газовые пузыри, неметаллические включения, неблагоприятная структура и т.п.) приводят к образованию рыхлостей и пустот в центральных зонах накатанных участков.

3. Наличие на заготовке поверхностных дефектов виде рисок и поверхностных трещин способствует образованию задиров и отслоений на поверхности накатанной резьбы.

4. В процессе горячей накатки резьбы путевых шурупов тремя роликами происходит закручивание накатываемого участка, что следует считать отрицательным фактором, так как на закручивание расходуется дополнительная энергия. Угол закручивания на каждом шаге резьбы (12,5 мм) составляет ~ 42°.47°. Эффект закручивания не наблюдается при накатке плоскими плашками. Дополнительные затраты энергии на закручивание участка заготовки длиной, равной шагу резьбы путевого шурупа, составляют 95-405 Дж.

5. На основании проведенных исследований установлено, что наиболее эффективным способом накатки путевых шурупов является горячая накатка плоскими плашками с производительностью 35+40 шт/мин.

6. Для реализации предлагаемой технологии предложено создать линию, в основу которой положен накатной станок А2424 для холодной накатки резьбы плоскими плашками ( ОАО «Тяжпрессмаш», г.Рязань). При этом необходимо модернизировать вышеуказанный станок. Модернизация должна включать:

- увеличение хода ползуна с 785 мм до 1000 мм;

- увеличение ширины посадочных мест под установку плашек шириной 140 мм;

- оснащение станка раздельными системами смазки трущихся деталей и смазки и охлаждения инструмента (плашек).

7. Разработаны новые конструкции плашек для накатки резьбы на путевых шурупах (3 патента на полезные модели и 1 патент на изобретении), применение которых позволяет повысить качество резьбы и стойкость резь-бонакатного инструмента.

8. Выполнен расчет ожидаемого экономического эффекта, который складывается из эффекта от снижения брака, от снижения затрат на изготовление инструмента и повышения его стойкости, а также от расширения объемов производства путевых шурупов. Суммарный экономический эффект 14,99 млн. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С использованием программного комплекса «БЕРСЖМ-ЗО» выполнено компьютерное моделирование процесса горячей накатки резьбы на путевых шурупах. При этом рассматривался процесс формирования на цилиндрической поверхности заготовки кольцевых выступов, профиль которых соответствует профилю резьбы путевого шурупа, с помощью инструмента в виде подвижной и неподвижной плашек. На основании выполненных расчетов определены напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры процессе накатки, радиальная и тангенциальная силы, действующие на резьбонакатной инструмент, изменение температуры заготовки в процессе накатывания.

2. Усовершенствована методика прогнозирования точности накатанной резьбы. В основу методики положен метод определения случайных погрешностей, возникающих в результате колебаний радиальной составляющей силы накатывания по причине колебаний предела текучести сг0 материала заготовки, температуры нагрева Т , диаметра й0 и длины Ь исходной заготовки, коэффициента трения //. Используя результаты компьютерного моделирования, определялись случайные погрешности диаметра накатываемой резьбы, возникающие при колебании технологических параметров (а0,Т,/л,с10,Ь), и вычислялась общая случайная погрешность, по которой оценивалась точность накатываемой резьбы. На основании выполненных расчетов установлено, что:

- на точность внутреннего диаметра резьбы путевых шурупов наибольшее влияние оказывают колебания температуры Т нагрева и базисного сопротивления деформации сг0, а влияние колебаний коэффициента трения ц и диаметра с10 исходной заготовки незначительно;

- при накатке резьбы путевого шурупа из стали марки 20 плоскими плашками на резьбонакатном станке А-2424 (коэффициент жесткости С = 500 кН/мм) суммарная погрешность внутреннего диаметра накатанной резьбы не выходит за пределы регламентированного допуска: [-500 мкм, +500 мкм].

3. Установлены закономерности кинематики процесса резьбоформиро-вания при использовании трех наиболее распространенных способа накатывания: тремя роликами, плоскими плашками и инструментом «ролик-сегмент» (планетарная накатка). Определены зависимости, позволяющие определять скорость проскальзывания инструмента относительно накатываемой заготовки. Анализ результатов расчетов показал, что минимальная скорость проскальзывания заготовки относительно инструмента имеет место при планетарной накатке резьбы с использованием инструмента «ролик-сегмент». При накатке путевых шурупов плоскими плашками этот параметр возрастает на 13. 17 %, а при накатке тремя роликами - в 2,5. .3,5 раза.

4. Разработана методика прогнозирования износостойкости резьбона-катного инструмента. Методика базируется на основных положениях энергетической теории изнашивания твердых тел Крагельского-Гаркунова. По результатам компьютерного моделирования процесса накатки резьбы путевого шурупа с использованием программного комплекса «DEFORM-3D» установлен характер изменения касательных напряжений т по длине пластической зоны и определена работа сил трения Ащ, на поверхности контакта металла с заготовкой в зоне действия максимальных давлений. Конкретные расчеты выполнены для оценки ресурса резьбонакатных плашек для накатки резьбы путевого шурупа из стали марки 20. Рассчитано ожидаемо количество накатанных изделий до момента образования брака по причине несоответствия внутреннего диаметра резьбы требованиям нормативно-технической документации.

5. На основании проведенных экспериментов установлено, что:

- качество резьбы соответствует требованиям нормативно-технической документации при значениях диаметра заготовки под накатку в пределах 21,5-21,6 мм и температуре нагрева в диапазоне 1000 - 1100 °С;

- в процессе горячей накатки резьбы путевых шурупов тремя роликами происходит закручивание накатываемого участка на угол ~ 42°.47° на каждом шаге резьбы, что следует считать отрицательным фактором, так как на закручивание расходуется дополнительная энергия (~95-И05 дж на каждом шаге);

- наличие дефектов в виде поверхностных рисок и трещин способствует образованию задиров и отслоений на поверхности накатанной резьбы, а наличие внутренних дефектов (газовые пузыри, неметаллические включения, неблагоприятная структура и т.п.) и особенности напряженного состояния при накатке приводят к образованию рыхлостей и пустот в центральных зонах накатанных участков.

6. На основании проведенных исследований установлено, что наиболее эффективным способом накатки резьбы на путевых шурупов является горячая накатка плоскими плашками с производительностью 35-^-40 шт./мин, для чего предложено создать линию, в основу которой может быть положен модернизированный накатной станок А2424 ( ОАО «Тяжпрессмаш», г.Рязань). Разработаны новые конструкции резьбонакатных плашек для накатки путевых шурупов, применение которых позволяет повысить качество накатываемой резьбы и стойкость резьбонакатного инструмента. Ожидаемый экономический эффект -14,99 млн. руб.

1. Писаревский М.И. Накатывание точных резьб, шлицев и зубьев. Д.:

2. Машиностроение, 1973. 200 с.

3. Мирополъский Ю.А., Луговой Э.П. Накатывание резьб и профилей. М.: Машиностроение, 1976. - 175 с.

4. Писаревский М.И., Самсонов В.И. Новое в технологии накатывания резьб, шлицев и зубьев. ЛДНТП, 1978. - 20 с.

5. Писаревский М.И. Накатывание точных резьб: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. ЛПИ им. М. И. Калинина, 1954

6. Писаревский М.И. Накатывание точных резьб и шлицев. M.-JL: Маш-гиз, 1963.- 180 с.

7. Писаревский М.И. Новый инструмент для накатывания резьб и шлицев. -М.- JL: Машиностроение, 1966. 152 с.

8. Мирополъский Ю.А. Исследование прессов-автоматов для объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1968. - 155 с.

9. Мирополъский Ю.А., Луговой Э.П., Дмитриенко В.Д. Экспериментальные исследования резьбонакатного автомата модели А2522 с ролик-сегментом // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. - № 5. - С. 27-29.

10. Мирополъский Ю.А., Насонов А.Н. Технология и оборудование для накатывания резьб и профилей // Кузнечно-прессовое машиностроение. Серия С.-Ш., М., НИИМАШ. - 1971. - 175 с.

11. Андреев A.M., Журавлев А.З., Луговой Э.П. Графоаналитический метод определения радиальных усилий накатки резьбы // Кузнечно-штамповочное производство. 1979. - № 11.- С.7-9.

12. Журавлев А.З., Луговой Э.П., Илясов В.В. Определение усилий накатывания резьбы на автоматах с роликами и сегментами с учетом жесткости системы // Кузнечно-штамповочное производство. 1992. - №4. - С.7-9.

13. Якухин В.Г. Оптимальная технология изготовления резьб. М.: Машиностроение, 1985.- 184 с.

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

15. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые соединения. М.: Машиностроение, 1973. -256 с.

16. Биргер И.А., Иосилевич Г.Б. Резьбовые и сварные соединения. — М.: Машиностроение, 1990. 364 с.

17. Фрумин Ю.Л. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1977. 183 с.

18. Apel Н. Gewindewalzen. Carl Hanser Verlag. München, 1952.

19. Näser W., Meichsner H. Technologie des Gewindewalzens. Leipzig Fachbuchverlag, 1959.

20. Montag G, König D. Kraft, Arbeit und Machinengrundzeit beim Gewindewalzen zwei Rollen im Einstechverfahren // Fertigungstechnik und Betrieb. -1965.-N 4.-S. 227-230.

21. Forres Т. The Cold Rolling of Spline Shafts // Australian Machinery and Production Engineering. October, 1966.

22. Ямамото А., Акаси К, Есимото И. Усилие накатывания и расчет межцентрового расстояния накатных роликов // Перевод ВИНИТИ № 52847/5. Статья из журнала «Никой кикай гаккай ромбунсю». 1960. - № 166.- С. 813-826.

23. Jamamoto A. Investigations on thread rolling // Bulletin of the Tokyo Institute of Technology. 1959. - N 2. - Ser. B. - P. 27-34.

24. Jamamoto A., Joshimoto I. Investigations on thread rolling // Bulletin of the Tokyo Institute of Technology. 1961. - N 40. - P. 141-145.

25. Dallas D. B. Getting the most of thread rolling attachments // The Tool and Manufacturing engineer. 1966. - Apr. - P. 170-173.

26. Губин А.П. Накатывание резьбы роликами. М.: Машгиз, 1947.

27. Загурский В.И. Исследование процесса накатывания наружных резьб с продольной подачей: Автореф. канд. дисс. М., Институт машиноведения АН СССР, 1959.

28. Загурский В.И. Прогрессивные способы обработки резьбы. М.: Машгиз, 1960. - 125 с.

29. Загурский В.И. Автоматизированное производство резьбовых крепежных изделий. М.: Машгиз, 1962. - 121 с.31 .Дейнеко В.Г. Новые способы непрерывного накатывания резьбы и других профилей. М.: Машгиз, 1961. - 159 с.

30. Рыжов Э.В., Андрейчиков О.С., Стешков А.Е. Раскатывание резьб. М: Машиностроение, 1974.- 122 с.

31. Ардеев Ж.А. Исследование процесса накатывания резьбы роликами // Вестник машиностроения. 1980. - №11. - С. 65-67.

32. Трудов A.A., Комаров П.Н. Силы при накатывании резьб // Станки и инструмент. 1981. - №1. - С.19-21.

33. Усов В.П. Кинематика пластического течения металла при деформировании резьбового профиля. // Кузнечно-штамповочное производство. — 1977.-№9.-С. 16.

34. Хостиков М.З. Исследование силовых зависимостей процесса накатывания резьб тангенциальными головками // Прогрессивный режущий инструмент. Высокопроизводительное резание. М. - 1978. - С. 48-70.

35. Герасимов В.В., Герасимова О.В. Изменение упрочняющего эффекта при волочении металла и накатывании резьбы // Вестник машиностроения. -2006. №2. - С. 66-67.

36. Таурит Г.Э., Пуховский Е.С., Добрянский С.С. Прогрессивные процессы резьбоформирования.- Киев: Техшка, 1975.- С. 240.

37. Киричек A.B., Афонин А.Н., Иванов К.В. Геометрическое моделирование процессов обработки давлением с локальным контактом инструмента и заготовки / Кузнечно-штамповочное производство, 2004, № 9. С. 21-25.

38. Киричек A.B., Афонин, А.Н. Определение диаметра заготовок под накатывание резьбы с помощью систем 3D моделирования / СТИН. 2005, №6. -С. 28-30.

39. Киричек, A.B., Афонин А.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния резьбонакатного инструмента и заготовки методом конечных элементов текст. // СТИН, 2007, №7. С. 21-25.

40. Моделирование процесса накатывания резьб с радиальной подачей в DEFORM 3D / A.B. Киричек, А.Н. Афонин, А.Г. Апальков, Д.А. и др.// Известия ОрелГТУ. Машиностроение. Приборостроение, 2008, № 2-3/270 (545).-С. 39-44.

41. Афонин, А.Н., Киричек A.B. Схемы деформирования при накатывании резьб / Известия ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». 2009, № 6/278(577). С. 39-42.

42. Аршанский М.М., Кульков КБ. Способы нестационарного резьбонака-тывания с радиальной подачей // Вестник машиностроения. 2003. - № 9. -С. 48-53.

43. Бушенин Д.В., Киричек A.B. Кульков И.Б. Сравнение твердости резьбовых профилей, полученных разными методами пластического деформирования // Вестник машиностроения. 1999. - №10.

44. Поперечно-кшшошя прокатка / Г.В. Андреев, В.А. Клушин, Е.М. Макушок и др./ Под общ. ред. Е.М. Макушка. Минск: Наука и техника, 1974. - 160 с.

45. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании / Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Гурьянова M.K. М.: Машиностроение, 1971. - 64 с.

46. Никифоров А.Д. Точность и технология изготовления метрических резьб. М.: Высшая школа, 1963. С. 180.

47. ГОСТ 809-71. Шурупы путевые.

48. Рудаков В.П., Кузнецова А.И., Полякова М.А. Путевые шурупы / Метизы, 2008, № 1. С. 87-92.

49. Тетерин П.К Теория поперечной и винтовой прокатки. -М.: Металлургия, 1983. С.270.

50. Смирнов B.C. Теория обработки металлов давлением -М.: Металлургия, 1983. С.270.

51. Щукин В.Я., Кожевников Г.В., Рудович А. О. Новое в поперечно-клиновой прокатке / Кузнечно-штамповочное производство, 1999, №3. С. 35-37.

52. Айсенманн И.Н. Совершенствование верхнего строения железнодорожного пути / Железные дороги мира, 1997, № 12. С. 61-65

53. Патент РФ 31788 на полезную модель, МПК Е01В 9/02. Шуруп крепежного узла рельсового скрепления / В.В.Серебрянников, Л.Г.Крысанов, В.П.Акимов и др. // Опубл. 27.08.2003. Бюл. № 24.

54. Патент РФ 54051 на полезную модель, МПК Е01В 9/02. Шуруп путевой с шестигранной головкой / А.И.Кузнецова, А.М.Павлов, С.Я. По-теряхин // Опубл. 06.10.2006. Бюл. № 32.

55. Патент РФ 2100127 на изобретение, МКП В 21К 1/44. Способ изготовления путевых шурупов / Г.В.Бухиник, В.И.Артюхин, Т.В.Христенко и др. // Опубл. 27.12.97. Бюл. № 36.

56. Stiffness and deflection analysis of complex structures / Turner L.J., Clough

57. R.W., Martin H.C., Topp L J. // J. Aeronaut Sei., 1956, v. 23, № 9, p. 805-824.

58. Сегерлинд Л.Д. Применение метода конечных элементов.- М.: Мир, 1979. С. 240.

59. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике М.: Мир, 1975. С. 541.

60. Морозов В.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механикеразрушения.- М.: Наука, 1980. С.256.

61. Биба Н.В., Лишний А.И., Стебунов С.А. Трехмерное моделированиепроцессов обработки металлов давлением методом конечных элементов //

62. Производство проката. 2003. № 12. С. 20-24.

63. DEFORM-3D Version 6.0 User's Manual II М.Columbia, Ohio: Scientific Forming Technologies Corporation, 2006.

64. Norrie D.H., de Vries G. The Finite Element Method Fundamentals and Applications. - Academic Press, New York, 1973.

65. Третьяков A.B., Зюзин В.И. Механические свойства сталей и сплавов при обработке давлением. М: Металлургия, 1973. - 224 с.

66. Смирное-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. 3-е изд., перераб. JL: Машиностроение, 1978. - 368 с.

67. Андреюк Л.В., Тюленев Г.Г. Об учете упрочнения стали при дробной деформации / Сталь, 1969, № 5. С. 245-249.

68. Остапенко А.Л., Забира JI.A. Сопротивление деформации стали при прокатке и методика его расчета / Бюл. Ин-та «Черметинформация», 2009, №3. С. 54-79.

69. Лагранж Ж.Л. Аналитическая механика.Т. 1.- М.-Л.: ГТТИД950. С.594.

70. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора: Справочник. Л.: Машиностроение, 1983. - 464 с.

71. ГОСТ 16093-81.Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Допуски. Посадки с зазором.

72. ГОСТ 9150-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Профиль.

73. ГОСТ 8724-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Диаметры и шаги.

74. ГОСТ 24705-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Основные размеры.

75. Серавин Ф.А., Ланской E.H., Кравец B.C. Нормирование жесткости винтовых фрикционных прессов // Кузнечно-прессовые машины. Расчет, исследование, испытания: Сб. науч. тр. ЭНИКМАШа/ Под ред. Н.Т.Деордиева. М.: Машиностроение, 1969. С. 3-9.

76. Ланской E.H., Мирополъсшй Ю.А., Гусинский В.И. Технологические факторы, влияющие на точность изделий, получаемых на одно-и двухудар-ных холодновысадочных автоматах // Новые технологии обработки металлов давлением.- М.: Машиностроение, 1967. С. 163-179.

77. Ланской E.H. Характеристика точностных параметров кузнечно-прессового оборудования // Вестник машиностроения, 1965, № 12. С. 51-56.

78. Бродский Е.Д., Ланской E.H., Разоренов C.B. Точность штамповки и жесткость многопозиционных автоматов для холодной штамповки // Кузнеч-но-штамповочное производство, 1966, № 12. С. 24-28.

79. Ланской E.H. Общий метод анализа жесткости прессов для объемной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство, 1969, № 5, С. 20-25.

80. Ланской E.H., Силанов В.И. Жесткость холодновысадочных автоматов // Вестник машиностроения, 1960, № 3. С. 56-59.

81. Ланской E.H., Нузов А.Я. О точности наладки прессов-автоматов // Кузнечно-штамповочное производство, 1964, № 1. С. 29-32.

82. Паршин В.Г., Железков О.С. Определение точности головок болтов и стабильности процессов при холодной высадке на однопозиционных автоматах // Теория и практика производства метизов. Свердловск 1977. С. 18-21.

83. Паршин В.Г., Железков О. С. Расчет точности высоты головки при холодной высадке болтов // Теория и практика производства метизов. Свердловск, 1978. С. 137-140.

84. ГОСТ 27674-88. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения.- М.: Изд-во стандартов, 1988. С.89.

85. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

86. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов натрение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

87. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безизносность)- М.:» Изд-во МСХА», 2001. С. 616.

88. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение,! 985. С.327.

89. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Механическое изнашивание сталей и сплавов. М.: Недра, 1996. - 364 с.

90. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М.: Наука,1970.-251 с.

91. Ямполъский Г.Я., Калугин Ю.К., Южаков КВ. Косвенная оценка абразивной износостойкости деталей по характеристикам, определяемым внедрением и царапанием инденторами // Износ в машинах и методы защиты от него. М.: Машиностроение, 1985. - С. 59 - 60.

92. Кащеев В.Н., Гладков В.М. Абразивная износостойкость и силы связи решетки металлов // Изв. вузов. Физика. 1981. - №12. - С. 156 - 159.

93. Львов П.Н. Основы абразивной износостойкости деталей строительных машин. М.: Стройиздат, 1970. - 72 с.

94. Погодаев Л.И., Шевченко П.А. Гидроабразивный и кавитационный износ судового оборудования. Л.: Судостроение, 1984. - 263 с.

95. Аналитические и инженерные критерии оценки абразивной износостойкости белых легированных чугунов / В.М.Колоколъцев, Е.В.Синицкий, П.А.Молочков и др. II Вестник МГТУ. 2004. №1(5). - С. 37 - 40.

96. Абразивная износостойкость литых металлов и сплавов / В.М.Колоколъцев, Н.М.Мулявко, КН.Вдовин и др. Магнитогорск: МГТУ, 2004. -228 с.

97. Анцупов В.П., Бояршинов М.И., Заверюха В.Н. Прогнозирование износа рабочих валков при горячей прокатке // Сталь,1978. №6. С. 531 535.

98. Модель изнашивания валков при бескалибровой прокатке сортовых заготовок / Л.Е.Кандауров, А.К.Белан, Н.Ш.Тютеряков и др. II Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. сб. науч. тр. Магнитогорск, 2002.-С. 66-70.

99. Модель изнашивания линеек валковой арматуры для бескалибровой прокатки заготовок / Б.А.Никифоров, Л.Е.Кандауров, А.К.Белан и др. II

100. Тр. 5-го конгресса прокатчиков (21 24 октября 2003, Череповец) - М: ОАО Черметинформация. 2004. - С. 485 - 487.

101. Железков С.О., Железков О.С., Моллер А.Б. Анализ кинематики процесса накатки наружной резьбы / Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрегион, сб. науч. тр.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2009. С. 218-223.

102. Железков О.С., Железков С.О., Семашко В.В. Особенности горячей накатки резьбы на путевых шурупах тремя роликами / Кузнечно-штамповоч-ное производство. Обработка металлов давлением. 2011. № 3. С. 31-33.

103. Ильюшин A.A. Механика сплошной среды. М.: Изд. МГУ, 1978. -288 с.

104. Мейз Дж. Теория и задачи механики сплошных сред. М.: Мир,1974.-319с.

105. Хилл Р. Математическая теория пластичности.- М.: Гостехиздат, 1956.-462 с.

106. Томленое АД. Теория пластического деформирования металлов. -М.: Металлургия, 1972. 408 с.

107. Колмогоров.В.Л. Механика обработки металлов давлением.- М.: Металлургия, 1986. 688 с.

108. Седов Л.И. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1983. - 528 с.

109. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров.- М.: Машиностроение, 1979. 568 с.

110. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1979. 400 с.

111. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1977. - 424 с.

112. Томсен Э., Янг К., Кабояши Ш. Механика пластических деформаций при обработке металлов. М.: Машиностроение, 1969. - 503 с.

113. Патент. РФ 39101 на полезную модель, МКИ7 В 21 Н 3/06. Инструмент для накатывания наружной резьбы / О.С.Железков, С.В.Кочуков, С.О.Железков // Опубл. 20.07.2004. Бюл. № 20.

114. Патент РФ 54840 на полезную модель, МКИ7 В 23 G 7/00, В 23 G 7/02. Инструмент для накати резьбы на путевых шурупах /А.Д.Носов, С.О.Железков, Л.З.Жуковский // Опубл. 27.07.2006. Бюл. № 21.

115. Патент РФ 2336140 на изобретение, МКИ7 В 21 H 3/06, В 23 G 7/02. Инструмент для накатки резьбы на стержневых изделиях / Носов А.Д., Адамчук C.B., Лебедев В.Н., Болонин A.A., Железков С.О. // Опубл. 20.01.2008. Бюл. №29.

116. Семихатский С.А., Железков О.С., Железков С.О. Совершенствование конструкции и технологии изготовления путевых шурупов / Производство конкурентоспособных метизов : Сб. науч. тр. под ред. А.Д.Носова.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. С. 132-133.

117. Железков С.О. Исследование процесса горячей накатки резьбы на путевых шурупах / Конкурс грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области: Сб. рефер. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. С.126-127.

118. Железное О.С., Кочукое C.B., Железков С.О. Моделирование процесса горячей накатки резьбы на путевых шурупах / Труды VII конгресса прокатчиков-М.: Черметинформация, 2007. С. 496-498.

119. Железков О.С., Кочукое C.B., Железков С.О. Определение радиальных усилий горячего накатывания резьбового профиля/ Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением: Межрегион, сб. науч. тр. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. С. 310-314.

120. Железков О.С., Железков С.О. Совершенствование конструкции инструмента для накатки резьбы на путевых шурупах / Сталь, № 3, 2009. С. 88.

121. Железков С.О. Применение ультразвуковых колебаний при производстве метизов / Инновации молодых ученых: Сб. докладов УМНИК. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. С. 135-138.

122. Железков С.О. Перспективные способы формирования резьбы на путевых шурупах / Материалы международ, пром. форума «Реконструкция промышленных предприятий прорывные технологии в металлургии и машиностроении» - Челябинск, 2010. С. 88-89.

123. Железков С.О., Семашко В.В., Пудов Е.А. Эффект закручивания при горячей накатке крупной резьбы роликами / Обработка сплошных и слоистых материалов. Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 36. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». 2010. С. 106-108.

124. Патент РФ 107988 на полезную модель, МКИ7 В 23 G 7/00. Инструмент для накати крупной резьбы / С.О.Железков, Л.З.Жуковский, О.С.Железков // Опубл. 10.09.2011. Бюл. № 25.1. При Sl Є HL ІЄ

125. УТВЕРЖДАЮ: Зам. директора по техническому развитию ОАО «ММК-МЕТИЗ»1. АКТ1. С. Гульцин2011 г.

126. Начальник технического управления ОАО «ММК-МЕТИЗ»1. В.Е. Семенов