автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса накатывания малоразмерных резьб в глубоких отверстиях деталей из труднообрабатываемых материалов

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса. Задачи исследования

1.1 Краткий анализ по раскатыванию резьб малого диаметра

1.2 Краткий анализ по применению ультразвуковых колебаний при обработке резьб малого диаметра

1.3 Выводы и задачи исследования

Глава 2. Методика проведения исследований для оценки эффективности технологического процесса раскатывания резьбовых отверстий с использованием УЗК

2.1 Условия проведения эксперимента

2.2 Выбор критериев для оценки эффективности технологического процесса раскатывания резьбовых отверстий с использованием УЗК

2.3 Методика исследования крутящего момента

2.4 Методика исследования стойкостных параметров инструментов

2.5 Методика исследования качества обработанной поверхности

2.6 Статистическая обработка результатов исследований

Глава 3. Теоретические исследования процесса формирования резьбы в глубоких отверстиях при наложении УЗК на СОТС

3.1 Разработка схем и устройств подвода СОТС с УЗК при формировании резьб метчиками.

3.2 Анализ механизма и моделей проникновения СОТС в зону контакта «зубья инструмента-изделие»

3.3 Исследование капиллярного эффекта от УЗК в контактной области при раскатывании резьб

3.4 Исследование динамики СОТС в зазорах между раскатником и стенками отверстия

Глава 4. Разработка нового инструмента для повышения качества и надежности процесса резьбонакатывания

4.1 Современные инструменты для получения резьб малого диаметра

4.2 Разработка новой конструкции метчика-раскатника

4.3 Оптимизация конструктивных параметров раскатника по критерию оптимального значения крутящего момента

Глава 5. Экспериментальные исследования эффективности способа подвода СОТС, активированной УЗК

5.1. Исследование крутящего момента

5.2. Исследование износа метчиков

5.3. Исследование шероховатости боковой поверхности получаемой резьбы

Глава 6. Математическое моделирование и оптимизация процесса раскатывания резьб с использованием ультразвука

6.1 Выбор критерия оптимизации

6.2 Выбор значимых факторов

6.3 Оптимизация процесса раскатывания внутренних резьб малого диаметра для достижения оптимального значения износа инструмента по наружному диаметру

6.4 Оптимизация процесса раскатывания внутренних резьб малого диаметра для достижения оптимального значения крутящего момента

6.5 Оптимизация процесса раскатывания внутренних резьб малого диаметра для достижения оптимального значения шероховатости боковой поверхности резьбы

6.6 Выводы

В решении задач создания современной техники особое внимание всегда уделялось качеству и производительности процесса её производства. Из этих условий, обеспечивающих конкурентоспособность выпускаемой продукции, вытекает необходимость создания и совершенствования технологических процессов, обеспечивающих высокую производительность без ущерба качеству обработки.

В целях повышения качества и надежности деталей машин, производительности труда при обработке металлов и снижения расхода дефицитных материалов, в том числе и инструментальных, большое значение имеют процессы бесстружечной обработки холодным пластическим деформированием.

Деформирующее резьбоформирование является одним из эффективных методов образования как наружных, так и внутренних резьб на деталях из различных материалов. Однако, до сих пор, процесс образования резьб малого диаметра накатыванием метчиками-раскатниками (в дальнейшем раскатниками), особенно в глубоких отверстиях деталей из труднообрабатываемых материалов вызывает большие трудности. Причинами этого являются: ограниченная жесткость и прочность раскатников, большие усилия деформирования и крутящие моменты, возникающие в связи с большим числом одновременно работающих деформирующих зубьев. Кроме того, в условиях высокой силовой и тепловой нагруженности малоразмерные раскатники часто выходят из строя вследствие неравномерного распределения деформируемого слоя металла между зубьями инструмента, а также, как отмечается многими авторами, из-за недостатка (или отсутствия вообще) смазочной жидкости в зоне контакта зубьев инструмента с изделием. Применяемые в промышленности способы улучшения условий процесса резьбоформирования накатыванием внутренних малоразмерных резьб, особенно в глухих отверстиях деталей из труднообрабатываемых материалов, 5 недостаточно эффективны. Поэтому весьма важными остаются поиск и внедрение в практику новых более перспективных методов улучшения условий резьбоформирования, позволяющих значительно повысить качество получаемых резьб, стойкость и надежность работы инструментов при высокой производительности труда.

Одним из перспективных направлений решения данных задач является разработка и внедрение принципиально новых технологий, в том числе применение высокоэффективных смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) и обеспечивающих гарантированное их наличие в зоне обработки устройств.

Основные результаты и выводы

1. В результате анализа теоретических и экспериментальных разработок в области повышения эффективности обработки труднообрабатываемых материалов предложены (на уровне изобретений) схема и конструкция устройства для подачи и активации СОТС в зону раскатывания резьбы в глубоких отверстиях малого диаметра, обеспечивающее снижение крутящего момента на 18-25%, увеличение стойкости метчиков-раскатников в 3-4 раза, повышения качества резьбы, в частности за счёт снижения шероховатости с Ка=0,32 мкм, без коренного изменения существующего технологического процесса и оборудования.

2. На основе теорий микрокапелоного взрыва и упруго-пластических деформаций обоснован и математически описан процесс проникновения активированной ультразвуком СОТС в контактную зону «инструмент-изделие» при раскатывании внутренних малоразмерных резьб, показано повышение проникающей способности СОТС под действием УЗК в зону обработки, выявлено значительное (на 1-2 порядка) увеличение величин параметров проникновения СОТС при наложении на неё УЗК.

3. На основе анализа конструкций и особенностей работы режуще-деформирующих и бесстружечных метчиков разработаны новые (на уровне изобретений) комбинированный РДМ и метчик-раскатник, обеспечивающие в процессе резьбоформирования снижение крутящего момента на 17-20%, а в сочетании с другими предложенными техническими решениями (обработка с УЗК) -повышение производительности процесса на 10-15% и значительное уменьшение шероховатости получаемой резьбы (с Яа=2,5 до 0,32мкм) при обработке изделий из труднообрабатываемых материалов.

Проведена оптимизация элементов конструкций предлагаемых инструментов.

4. В результате исследований параметров режимов обработки при ультразвуковой активации СОТС на характеристики процесса резьбообразования при раскатывании резьб в глубоких отверстиях малых диаметров и качество получаемой резьбы в труднообрабатываемых материалах получены математические зависимости на основе метода планирования экспериментов, позволяющие оптимизировать крутящий момент и шероховатость (Яа) витков получаемой резьбы в зависимости от параметров режима и прогнозировать износ и стойкость инструментов. Подтверждена адекватность полученных математических зависимостей.

5. Экспериментальными исследованиями доказано, что применение всего комплекса разработок (активация СОТС УЗК, применение прогрессивных конструкций инструментов, оптимизация режимов) позволяет существенно повысить эффективность процесса образования резьб малого диаметра в глубоких отверстиях деталей из труднообрабатываемых материалов методом раскатывания. Например, раскатывание резьбы Мб глубиной 20-25 мм разработанным метчиком-раскатником в сплавах ВТЗ-1 и ВТ16 при использовании масляной СОТС МР-99, активированной УЗК 1=22кГц обеспечивает повышение стойкости инструмента в 10-15 и более раз.

6. Разработанные технологические рекомендации по практическому применению результатов исследований положены в основу перспективных технологических процессов изготовления ответственных деталей из труднообрабатываемых материалов. Экономический эффект, полученный на ОАО «Арзамасский Приборостроительный Завод» и ОАО «Пензкомпрессормаш» составил соответственно 130000 и 75600 рублей (акты прилагаются).

1. Абрамов O.B. Кристаллизация металлов в ультразвуковом поле. М.: Металлургия, 1972, 138с.

2. Абрамов О.В. Опыт применения ультразвука в процессе обработки металлов давлением. М., Машиностроение, 1980.

3. Абрамов О.В., Кулемин A.B. Влияние ультразвуковых колебаний на контактное трение между металлами. В кн. Применение новых физических методов для интенсификации металлургических процессов, М. Металлургия 1974, с. 211 - 216.

4. Абрамов О.В., Хорбенко И.Г., Швегла Ш. Ультразвуковая обработка материалов. М., Машиностроение, 1984, 276с.

5. Авторское свидетельство № 225389. Способ образования резьбы. Егоров В.И., Пасах Е.В., Ермолович A.M. Опубл. 1968г. Бюл№ 27.

6. Аренков А.Б. Основы электрофизических методов обработки материалов. Д., Машиностроение, 1977, 265с.

7. Байсупов И.А., Волосатов В.А. Справочник молодого рабочего по электрохимической обработке. М., 1990, 176с.

8. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б., Бабайков О.В. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М., Машиностроение, 1982.

9. Борисов Ю.Я. и др. Источники мощного ультразвука. В кн. Физика и техника мощного ультразвука. Т1. Под ред. Розенберга Л.Д. М., Наука, 1967-1970.

10. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка: Пер с англ. М.: Машиностроение, 1968. 543с.

11. Бускин Д.Э., Захорович А.Е., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины. М., Высшая школа, 1990.

12. Вероман В.Ю., Аренков А.Б. Ультразвуковая обработка материалов. Д., Машиностроение, 1971, 168с.

13. Волков A.B. Математическое моделирование смазочного действия СОТС при лезвийном резании. // Автореф. дисс. канд. техн. наук. Иваново, 1996. 36 с.

14. Волосатов В.А. Ультразвуковая обработка. Л., Лениздат, 1973, с.248.

15. Гидродинамические и кавитационные исследования гидромашин. Сб. статей под ред. Григорьева В.И. Л., 1978.

16. Годлевский В. А. Исследование возможности активации смазочно- охлаждающих жидкостей методом поверхностного электрического заряжения зоны резания. Дис. канд техн. наук, Иванове, 1982. -250 с.

17. Годлевский В.А., Латышев В.Н., Волков A.B., Маурин Л.Н. Модель смазочного действия растворов ПАВ при резании // Трение и износ, 1996. Т. 17. № 3. С.345-351.

18. Годлевский В. А., Латышев В.Н., Волков A.B., Маурин Л.Н. Проникающая способность СОТС как фактор эффективности процесса обработки резанием // Трение и износ, 1995. Т. 16. № 5. С. 938-949.

19. Горбунов A.A. Изготовление мелкоразмерной резьбы метчиками с воздействием ультразвука. М., НТО МАШПРОМ, 1981, с. 44.

20. Горбунов В.Ф. Гидромеханика закрученных потоков и динамика удара. Сб. статей. Кем., 1970.

21. Гордон М.Б. О физической природе трения и механизме смазочного действия внешних сред при резании металлов // Научно-технические основы применения смазочно-охлаждающих жидкостей при резании металлов. Иванове, 1968. С.21-45.

22. Даниелян A.M., Бобрик П.И., Гуревич Я.Л., Егоров И.С. Обработка резанием жаропрочных сталей, сплавов и тугоплавких материалов. M., Машиностроение, 1965, 308с.

23. Данилов Б.Ф. Накатывание внутренней резьбы. Машиностроитель, 1965, №4

24. Дейч M.E., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. M., Энергоатомиздат, 1984.

25. Ершов Б.И., Михневич A.B., Ломонос С.И. Некоторые вопросы динамики гидростатических опор. Вестник машиностроения, 1984, №12.

26. Зорев H.H. О взаимозависимости процессов в зоне стружкообразования и в зоне контакта передней поверхности инструмента // Вестник машиностроения, 1963.

27. Зотов Ю.Н. Проектирование резьбообразующих инструментов. Учебное пособие. Горький 1987г.

28. Казанцев В.Ф. Расчет колебательных систем ультразвуковых станков. Сб. Электрофизические и электрохимические методы обработки. M.: НИИМАШ, 1974, №8, с. 1-4.

29. Казанцев В.Ф. Физические основы воздействия ультразвуковых колебаний на процесс пластического деформирования. в кн. Повышение эффективности технологических процессов в поле акустических колебаний. М., Металлургия, 1981,с.91-96.

30. Казанцев В.Ф. Физические основы ультразвуковых технологий. В кн. Физика и техника мощного ультразвука. ТЗ. Под ред. Розенберга Л.Д. М., Наука, 1967-1970.

31. Киселев М.Г. Ультразвуковая техника и технология в Японии. Минск: БелНИИНТИ, 1978, 62с.

32. Китайгородский Ю.И., Дрожжанова В.И. «Расчет высоты и скорости подъема по капиллярам при воздействии УЗК» в кн. Применение ультразвука в металлургии М., 1977, с. 12-16

33. Крагельский И.В., Демкин Н.Б. Об оценке свойств материалов трущихся пар Заводская лаборатория, 1968. T.XXXIV, №8, с1007-1011.

34. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ.- М.: Машиностроение, 1977.

35. Крагельский И.В., Демкин Н.Б. Расчет площадей касания неподвижного и скользящего контактов, в кн.: Электрические контакты. М.: Энергия, 1964, с87-93.

36. Латышев В.Н. Влияние проникающей способности анионов растворов электролитов на процесс резания металлов // Изв. вузов. М: Машиностроение, 1964. №8. С. 173-177.

37. Латышев В.Н. Исследования механохимических процессов и эффективности применения смазочных сред при трении и обработке металлов // Автореф. дисс. д. т. н. М., 1973. 412 с.

38. Латышев В.Н. Повышение эффективности СОЖ. М.: Машиностроение, 1985. 64 с.

39. Марков А.И. Применение ультразвука в промышленности. М., Машиностроение, 1975.

40. Марков А.И. Резание труднообрабатываемых материалов при помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. М. Машгиз, 1962, 332с.

41. Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980, 237с.

42. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов. М.: Машиностроение, 1968, 367с.

43. Мартынов В.Д. Основы ультразвуковой обработки отверстий резанием. Изд-во Ростовского университета, 1969, 212с.

44. Милн-Томпсон JI. Теоретическая гидродинамика. М.: Машиностроение, 1964.

45. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел М.: Наука, 1968, 103с.

46. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л.Д. Розенберга. М., Наука, 1968,267с.

47. Налимов В.В., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965, 398с.

48. Наугольных К.А. и др. Мощные ультразвуковые поля. В кн. Физика и техника мощного ультразвука. Т2. Под ред. Розенберга Л.Д. М., Наука, 1967-1970.

49. Перепелкина М.В. Повышение эффективности нарезания внутренних малоразмерных резьб в деталях из труднообрабатываемых материалов. Дисс. на соиск. уч. степ. ктн. Н.Новгород, НГТУ, 1999, 180с.

50. Пинес Б.Я., Омельченко И.Ф., Сиренко A.B. Влияние ультразвука на диффузионные процессы. ФММ, 1969, №6 с. 119-123.

51. Писаревский М.И. Накатывание точных резьб, шлицев, зубьев зубчатых колес. Л., Машиностроение, 1973.

52. Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. М., Машиностроение, 1970, 350с.

53. Подураев В.Н. Обработка труднообрабатываемых металлов резанием. М., Машиностроение, 1981.

54. Попилов Л .Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов. Л., Машиностроение, 1971, 543 с.

55. Повышение долговечности машин технологическими методами. Под ред. Таурит Г.Э. Киев, Техника, 1986.

56. Прогрессивные процессы резьбообразования в технологии автомобилестроения: Обзор /Филиал НИИНавтопрома, А.Ф.Кузьменко, Н.М. Пашко. Тольятти, 1984.

57. Применение ультразвука в промышленности. Под ред. Маркова А.И., М. Машиностроение, 1975, 240 с.

58. Розенберг Л.Д., Казанцев В.Ф., Макаров Л.О. Ультразвуковое резание. М., издательство АН СССР, 1962, 251с.

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

60. Свидетельство №11115 на полезную модель. Устройство для обработки деталей металлорежущим инструментом. Сорокин В.М., Климушкина М.В., Смирнов А.П. Опубл. 16.09.1999. Бюл. №9

61. Свидетельство №19274 на полезную модель. Метчик-раскатник с криволинейной образующей на заборной части. Сорокин В.М., Смирнов А.П. Опубл. 20.08.01. Бюл. №23

62. Свидетельство №19275 на полезную модель. Метчик. Сорокин В.М., Перепелкина М.В., Смирнов А.П. Опубл. 20.08.01. Бюл. №23

63. Свидетельство на полезную модель № 4934 от 30 ноября 1995 г. «Устройство для обработки деталей металлорежущим инструментом».

64. Севдоренко А.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Обработка металлов давлением с ультразвуком. Минск, Наука и техника, 1973, с. 288.

65. Создание и применение аппаратуры для ультразвуковых технологий, процессов в машиностроении. Под ред. Маркова А.И. М., Машиностроение 1978.

66. Сорокин В.М. Качество и эксплуатационные свойства поверхностей деталей и методы их повышения: Учебное пособие. Нижегородский государственный технический университет. Н.Новгород. 1994г. 120с.

67. Сорокин В.М. Прогрессивная технология изготовления и сборки резьбовых соединений. Москва-Горький, 1983, 100с.

68. Сорокин В.М., Климушкина М.В. Новые схемы и эффективность ультразвукового резания металлов. Технологические процессы и оборудование машино- и приборостроения. Сб. науч. тр. Н.Новгород: НГТУ,- 1997,с.5-10

69. Сорокин В.М., Смирнов А.П. Исследование износостойкости деталей вал-втулка, обработанных ППД и КАУО. Сб. «Проблемы трибологии производства». Тезисы докладов научно-практического семинара. Иваново: ИГТА, 1997, с. 9.

70. Сорокин В.М., Смирнов А.П., Бакшаев М.Ю. Применение УЗК в процессе формирования резьб труднообрабатываемых материалах. Сб. докладов Всероссийской МНТК «Приборостроение в аэрокосмической технике». Арзамас: Аф НГТУ, 1999, с. 260-262.

71. Сорокин В.М., Смирнов А.П. Активация СОЖ при обработке внутренних резьб. Сб. «Наука производство - технология - экология». Материалы НТК. Киров: ВятГТУ, 2000, т.2, с. 144-145.

72. Сорокин В.М., Смирнов А.П. Исследование давлений и сил от действия СОТС, активированной УЗК при раскатывании внутреннихрезьб. Сб. «Проблемы технологии машиностроения 2000года». Материалы Всероссийской НТК. Н.Новгород: НГТУ, 2000, с. 78-82.

73. Сорокин В.М., Смирнов А.П., Танчук С.С. Анализ и разработка новых схем и конструкций инструмента для внутреннего резьбоформирования. Сб. «Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении» Материалы НТК. Н.Новгород: НГТУ, 2001, с.138-146.

74. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981, 184с.

75. Талантов Н.В., Черемушников Н.П., Дудкин М.Е. Исследование проникающей способности СОЖ // Обработка конструкционных материалов резанием с применением СОЖ. М.: МДНТП, 1978. С. 108-111.

76. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М: Машгиз, 1959, 231с.

77. Технологические свойства новых СОЖ для обработки резанием / Под ред. М.И. Клушина. М.: Машиностроение, 1979. 192 с.

78. Тян Х.С. Исследование влияния акустических волн на тепловые процессы и их применение для интенсификации тепловых процессов в литейном производстве. Харьков, ХПИ, 1976, 32с.

79. Ультразвуковая технология / под редакцией Б.А. Агранта. М.: Металлургия, 1974, с.504.

80. Ушаков И.А. Расчет размеров смазочных канавок бесстружечных и комбинированных метчиков. Сб. Прогрессивные технологии основа качества и производительности обработки изделий. Материалы НТК. Н.Новгород, 1995, с. 108.

81. Физические основы ультразвуковой технологии / под ред. Л.Д. Розенберга. М. Наука, 1970, с.687

82. Хорбенко И.Г. Ультразвук в машиностроении. М., Машиностроение, 1974.

83. Худобин JI.B., Жданов В.Ф. О возможности активации СОЖ импульсными электрическими полями // Чистовая обработка деталей машин. Саратов: СПИ, 1980.-С. 49-53.

84. Чернов А.В., Павлов В.Г., Стафик В.Е. Влияние СОЖ на величину крутящего момента при резьбонарезании.

85. Шнейдер Ю.Г. Холодная бесштамповая обработка металлов давлением. Л., Машиностроение, 1967.

86. Эцснер Э. Расчет резонансных колебательных систем. Сб. Методы и приборы ультразвуковых исследований. М.: Мир, 1967, с. 339-358.

87. Courtel R. Vibration normales aux surfaces causees par le frottement sur les métaux a sec.- Métaux. 1965. N473-475, Janvier-Fevrier, p.40-45.

88. Ernst H. Fundamental Aspects of Metal Cutting and Cutting Fluid Action // N. Y. Acad. Sci, 1951. V. 53. P. 936-948.

89. Merchant M.E. Cutting Fluid Action and the Wear of Cutting Tool // Conf. Inst. Mech. Eng., Lubrication and Wear. London. 1957. P. 127-136.

90. Merchant M.E. Mechanics of the Metal Cutting Process. 1. Ortogonal Cutting and a Type of Chip // J. ofAppl. Phys, 1945. V. 16. N 5. P. 267-275.

91. Williams J. A., Tabor D. The role of lubricants in machining // Wear. 1977. V. 43.N.3.P. 275-292.