автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение и обеспечение точности и производительности обработки валов с использованием поводковых приспособлений на базе жесткого центра

Брянский государственный технический университет

На правах рукописи

ЕРОХИН Виктор Викторович

Повышение и обеспечение точности и производительности обработки валов с использованием поводковых приспособлений на базе жесткого центра

05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

I

ч

Научный руководитель доктор техничес ких наук профессор В. Б. РЬтьицкий

Брянск, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................... 5

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ЗАГОТОВОК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПОВОДКОВЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ .................................................................. 10

1.1. Основные проблемы, связанные с проектированием поводковых приспособлений для обеспечения требуемой точности обработки..................................................................................... 10

1.2. Подходы к решению задачи по определению точности и производительности обработки при использовании поводковых приспособлений........................................................................... 15

1.2.1. Основные подходы определения ^ обработки с использованием поводковых устройств........................ 15

1.2.2. Теоретические исследования по определению точности обработки с использованием поводковых приспособлений.............. 20

1.3. Общие выводы. Цели и задачи исследования............................ 30

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ

ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОВОДКОВЫХ УСТРОЙСТВ НА ТОЧНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОБРАБОТКИ.......................................................... 33

2.1. Определение точности обработки при использовании поводковых устройств на базе жесткого центра, передающих крутящий момент по эксцентрично расположенной предварительно подготовленной поводковой выточке.............................. 33

2.1.1. Исследование влияния автоколебаний на точность обработки . 52

2.2. Определение точности обработки при использовании поводковых устройств на базе жесткого центра, перелающих крутящий момент за счет внедрения в торец заготовки поводковых элементов............................................................................. 59

2.3. Исследование влияния конструктивных параметров поводкового устройства, передающего крутящий момент по предварительно

подготовленной поводковой поверхности, на производительность обработки................................................................................... 66

2.3.1. Определение влияния контактных напряжений в зоне контакта поводкового элемента с поводковой поверхностью на величину предельного крутящего момента...................................................... 66

2.3.2. Исследование влияния изменения силы давления между поводком и поводковой поверхностью на величину термоупругих деформаций в зоне их контакта............................................................. 72

2.3.3. Влияние качества поверхности поводка и поводковой поверхности и циклически изменяющейся силы давления в зоне контакта поводка с поводковой поверхностью на прочность контактируе-мых поверхностей.............................................................................. 77

2.3.4. Определение конструктивных размеров поводка и поводковой выточки от величины крутящего момента........................................ 82

2.3.5. Определение главных напряжений в зоне контакта поводкового элемента с поводковой поверхностью в зависимости от контактных, термоупругих и циклических напряжений............................. 84

2.4. Выводы к главе 2................................................................................. 88

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПОВОДКОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ЖЕСТКОГО ЦЕНТРА И ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ НА ТОЧНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОБРАБОТКИ................................................................................................. 90

3.1. Экспериментальное определение взаимосвязи конструктивных особенностей поводкового центра, передающего крутящий момент по предварительно подготовленной эксцентрично расположенной выточке, с точностью токарной обработки........................... 90

3.2. Экспериментальные исследования взаимосвязи точности с производительностью токарной обработки при использовании различных конструкций поводковых приспособлений................ 101

3.2.1. Взаимосвязь точности с производительностью токарной обработки при использовании поводкового центра, передающего

крутящий момент по предварительно подготовленной эксцен-

трично расположенной в торце заготовки кольцевой выточке..... 104

3.2.2. Взаимосвязь точности с производительностью токарной обработки при использовании поводкового центра, передающего крутящий момент по предварительно подготовленным в торце заготовки цилиндрическим лункам............................................... 111

3.2.3. Взаимосвязь точности с производительностью токарной обработки при использовании поводкового центра, передающего крутящий момент заготовке за счет внедрения в торец заготовки плавающих самоустанавливающихся поводковых элементов

в форме клина................................................................................ 118

3.2.4. Анализ влияния производительности токарной обработки на ее точность при использовании исследуемых конструкций поводковых устройств............................................................................. 126

3.3. Экспериментальные исследования взаимосвязи точности с производительностью обработки при круглом наружном шлифовании с продольным движением подачи в зависимости от вида конструкции поводкового приспособления.................................. 128

3.3.1. Взаимосвязь точности с производительностью обработки при круглом шлифовании с использованием поводкового устройства, закрепленного на планшайбе и передающего крутящий момент по предварительно подготовленной в торце заготовки эксцентрично расположенной выточке......................................... 132

3.3.2. Взаимосвязь точности с производительностью обработки при круглом шлифовании с использованием поводкового устройства, закрепленного на планшайбе и передающего крутящий момент по предварительно подготовленным в торце заготовки

цилиндрическим лункам................................................................. 137

3.3.3. Взаимосвязь точности с производительностью обработки при круглом шлифовании с использованием поводкового устройства - хомутика.................................................................................. 141

3.3.4. Анализ влияния производительности круглого шлифования на

точность обработки при использовании исследуемых конструкций поводковых устройств....................................................... 144

3.4. Экспериментальные исследования взаимосвязи параметров качества обработанной поверхности при токарной обработке с конструктивными особенностями поводкового элемента........... 147

3.5. Выводы к главе 3............................................................................. 154

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПОВОДКОВЫХ УСТРОЙСТВ.......................................................... 155

4.1. Автоматизация расчета отклонения от круглости обрабатываемой поверхности заготовки............................................................. 155

4.2. Оптимизация параметров режимов механической обработки круглого наружного шлифования с продольным движением подачи при достижении максимальной производительности обработки и заданных параметров качества поверхности................... 159

4.3. Система расчета проектных параметров поводковых устройств на базе жесткого центра, определяющих точность и производительность обработки при круглом шлифовании.......................... 164

4.4. Расчет экономического эффекта применения исследуемых поводковых приспособлений.............................................................. 169

4.5. Выводы к главе 4.............................................................................. 178

Общие выводы................................................................................................ 179

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................ 181

ВВЕДЕНИЕ

В диссертации исследуются вопросы повышения и обеспечения точности и производительности обработки валов, технико-экономические показатели обработки при использовании поводковых приспособлений на базе жесткого центра, передающих крутящий момент заготовке по предварительно подготовленным в ее торце поводковым поверхностям и за счет внедрения в торец заготовки поводковых элементов, а также рассматриваются вопросы прочностного расчета поводкового элемента на основе контактной, упругой и термоупругой теории деформации твердого тела.

Актуальность темы. Современные тенденции развития промышленности требуют повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции. Все это требует применения высокодифференцированных технологических процессов, основанных на использовании различных конструкций технологической оснастки.

Технологическая оснастка, как один из главных компонентов технологической системы, играет важную роль в обеспечении параметров точности, качества и производительности обработки. Около 65 % всех деталей машин составляют тела вращения, следовательно, выявив резервы повышения производительности и точности их изготовления, можно обеспечить широкие перспективы для развития конкурентоспособных технологий. Одним из основных направлений решения этих тенденций является создание новых, прогрессивных поводковых приспособлений, повышающих точность и производительность обработки с наименьшей себестоимостью технологического процесса изготовления деталей не только на универсальном оборудовании, но и в гибких производственных системах.

Наиболее широкое распространение при обработке валов, установленных в технологических центрах, получили поводковые приспособления на базе плавающего центра, передающие крутящий момент заготовке за счет внедрения поводкового(ых) элемента(ов) различного конструктивного исполнения в торец заготовки. Такие конструкции поводковых приспособлений могут быть использованы только на черновых и получистовых операциях из-за следующих недостатков: 1) наличие зазоров в сопряжениях плавающего переднего и вращающегося заднего центров снижают жесткость и виброустойчивость техно-

логической системы, что отрицательно влияет не только на точность и производительность обработки диаметральных размеров, но и на качество обрабатываемой поверхности заготовки; 2) большие осевые усилия, необходимые для внедрения поводковых элементов в торец заготовки, исключают применение таких конструкций поводковых приспособлений на шлифовальных станках, снижают точность выполнения диаметральных размеров нежестких валов, увеличивают деформации и износ шпиндельного узла и вращающегося заднего центра, что приводит к уменьшению их межремонтного периода, и, как следствие, увеличивается стоимость изготовления деталей; 3) значительное количество (от трех и более) нежестких связей между элементами поводкового приспособления уменьшают коэффициенты сил сопротивления упругим колебаниям технологической системы, что снижает качество обрабатываемой поверхности, особенно в области нелинейных резонансных колебаний переднего центра; 4) постоянное затупление и износ внедряемых поводковых элементов требуют их периодической переточки, что также повышает себестоимость обработки заготовки.

Все отмеченные недостатки могут быть устранены применением поводковых приспособлений на базе жесткого центра, передающих крутящий момент за счет внедрения в торец заготовки самоустанавливающихся плавающих поводковых элементов, либо за счет автоматического западания поводковых элементов в предварительно созданные в торце заготовки поводковые поверхности. Предварительное создание поводковых поверхностей позволит унифицировать и существенно упростить конструкции поводковых устройств при одновременном использовании жесткого (не вращающегося) заднего центра, что значительно повысит точность и производительность обработки. Появляется возможность применения поводковых устройств и на шлифовальных операциях.

Ограниченность внедрения поводковых устройств на базе жесткого центра заключается в отсутствии расчетных зависимостей по определению: точности и производительности обработки в зависимости от конструктивных характеристик поводкового приспособления и состояния технологической системы; эффективности применения поводковых устройств в зависимости от технико-экономических показателей; прочности поводкового элемента в различных условиях обработки заготовок.

Поводковые приспособления (центры) на базе жесткого центра являются эффективным средством механизации и автоматизации обработки валов. Расширение области их рационального применения - это резерв повышения производительности и томности механической обработки. Поэтому исследования точности и производительности обработки при использовании поводковых устройств на базе жесткого центра являются актуальными.

Цель работы. Решение проблемы повышения и обеспечения точности и производительности механической обработки валов на основе математического, конструкторско-технологического и информационного обеспечения проектных параметров поводковых приспособлений на базе жесткого центра.

Методы исследования. Методологической основой работы является системный подход к изучению параметров технологической системы токарной и круглошлифовальной операции, влияющих на точность и производительность обработки. В проведенных исследованиях использованы основные научные положения технологии машиностроения, сопротивления материалов, динамики твердого тела, контактной прочности, термоупругости, теории вероятности и математической статистики. Эксперименты выполнялись в технологических лабораториях кафедры "Технология машиностроения" Брянского государственного технического университета на токарных и круглошлифовальном станках при обработке цилиндрических заготовок. Параметры шероховатости и отклонения от круглости определялись с помощью автоматизированного комплекса в составе которого: вычислительный комплекс на базе IBM - совместимого персонального компьютера; профилограф-профилометр мод. 170311 завода «Калибр» (Россия); кругломер мод. 171221 завода «Калибр» (Россия): аналого-цифровой преобразователь на базе платы АЦП HBJI03 фирмы «Сигнал» (Россия).

Научная новизна. Теоретически определена взаимосвязь параметров точности обработки (отклонение от круглости) с параметрами, характеризующими: производительность обработки; состояние технологической системы; конструктивное исполнение заготовки и поводкового устройства; режимы механической обработки резанием. Теоретические и экспериментальные исследования позволяют выбрать рациональную схему передачи заготовке крутящего момента и конструктивное исполнение поводкового устройства, обеспечивающие требуемое отклонение от круглости.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработана методика расчета точности обработки в зависимости от: конструктивных особенностей обрабатываемой заготовки и поводковых устройств; отклонения от круглости базирующих поверхностей неподвижных центров; амплитуды колебания оси вращения шпинделя станка и заднего вращающегося технологического центра на уровне базирования заготовки; динамической жесткости технологической системы и режимов обработки заготовки.

2. Разработаны теоретические положения по определению конструктивных и прочностных характеристик поводкового элемента в зависимости от из-гибных, контактных и термоупругих напряжений.

3. Разработаны рекомендации, позволяющие выбрать рациональную схему передачи заготовке крутящего момента и конструктивное исполнение поводкового устройства, в зависимости от требуемой точности и производительности обработки.

Реализация результатов работы:

1. Результаты выполненных исследований используются в производстве - на АО "Людиновский тепловозный завод" и АО "Людиновский агрегатный завод".

2. Материалы исследований использованы в учебном процессе при чтении лекций, проведении лабораторных занятий по дисциплине "Проектирование технологической оснастки".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: Международной научно-технической конференции, Минск - 1997 г.; V Международной научно-технической конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века", Севастополь - 1998 г.; 3-й Международной научно-технической конференции "Проблемы повышения качества промышленной продукции", Брянск - 1998 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении", Нижний Новгород - 1997; научной конференции профессорско-преподавательского состава, Брянск - 1998 г.

Диссертация обсуждена и одобрена на расширенном заседании кафедры "Технология машиностроения" Брянского государственного технического уни-

верситета в 1999 году.

Автор защищает:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению точности обработки в зависимости от: конструктивных особенностей обраб