автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Прогрессивные методы конструирования и технология изготовления калибров валков для поперечно-винтовой прокатки

РГ5 ОД

2 2 ДЕК Ш

ТУЛЬСКИ!"! ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРОГРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАЛИБРОВ ВАЛКОВ ДЛЯ ПОПЕРЕЧНО-ВИНТОВОЙ ПРОКАТКИ

Специальность 05.03.01. - «Процессы механической и физико-технической обработки,станки и инструмент»

АВТОРЕФЕРАТ

- диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2000

Работа выполнена на кафедре «Инструментальные и метрологические системы» Тульского государственного университета

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Протасьев В.Б.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, ' доцент Феофилов Н.Д.

кандидат технических наук Г&мов С.Г.

Ведущее предприятие -

АОЗТ «Ревякинский металлопрокатный завод»

Защита состоится «

'«-Р 2000 г.

-/4 З1

' ^ часов в ^

учебном корпусе, ауд. на заседании диссертационного совета

К063.47.01 Тульского государственного университета (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан

2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Е.И. Федин

в

»

УЛ/лП СП У О // 9 - п

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Поперечно-винтовая прокатка (ПВП), разработанная в России академиком Целиковым А.Появляется процессом, сочетающим, в себе все принципы наиболее производительной технологии формообразования, которые сформулированы академиком Л.Н. Кошкиным. Главным свойством процесса является совмещение транспортного перемещения с движением формообразования.

В качестве инструмента при этом используются специальные валки (винтовые калибры), формообразующие поверхности которых оформлены как винтовые поверхности переменного шага, а высота формообразующей реборды также изменяется от некоторой исходной до заданной величины.

В машиностроении этот процесс достаточно широко внедрен при изготовлении помольных шаров, заготовок различной формы, причем к качеству последних предъявляются высокие требования, особенно, когда они подвергаются дальнейшим штамповым операциям. Качество заготовок в значительной степени зависит от применяемых винтовых калибров, которые в настоящее время изготавливают либо с использованием фрезерных и токарных копировальных приспособлений, либо с применением станков с ЧПУ.

К настоящему времени назрело определенное противоречие между возможностями систем ЧПУ и расчетными данными, которые закладываются в конструкции винтовых калибров.

Если копировальные приспособления с максимальной точностью воспроизводят теоретическую направляющую винтовых поверхностей переменного шага, то система ЧПУ для ее воспроизведения требует процедуры аппроксимации. При ее выполнении игнорируются так называемые переходные участки, что приводит к возникновению ударов первого и второго рода. Это крайне неблагоприятно сказывается на процессе прокатки, особенно холодной, и часто при первой же настройке винтовые калибры приходится повторно обрабатывать для исключения полученных ими повреждений.

Поддерживающие заготовку в зоне деформаций ножи (проводки), обладающие малой жесткостью и прочностью, при холодной прокатке заготовок 0 2-5 мм вообще являются слабым звеном процесса, т.к. подвержены этим же динамическим ударам.

Учитывая сказанное, можно сформулировать две научные задачи:

- необходимость оценки правильности конструкции винтовых калибров, т.е. их соответствия накопленному уровню знаний о процессе ПВП;

- обеспечение точности винтового калибра, достаточной для качественного выполнения процесса ПВП.

К сожалению, эти задачи в настоящее время разделены^ т.к. решаются разными производственными службами, но успешное конструирование и изготовление винтовых калибров возможно только при объединении этих задач и усилий конструкторов и технологов.

Научной задачей настоящей диссертации является выработка комплексного показателя правильности и разработка системы аппроксимации при изготовлении винтовых калибров на станках с ЧПУ.

Практической задачей является разработка специальных устройств и инструментов, позволяющих изготавливать валки с заданной точностью.

Связь работы с научными программами. Диссертация выполнялась в соответствии с международной научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения".

Цель работы. Конструкторско-технологическое обеспечение заданного качества заготовок, получаемых способом ПВП, за счет рациональной аппроксимации сложного профиля калибра, и обоснование технологии его механической обработки.

Автор защищает:

- рекомендации по аппроксимации винтовых поверхностей переменного шага различными технологическими кривыми, реализуемых на станках с ЧПУ, серийном оборудовании токарной группы, фрезерных и резьбошлифовальных станках с использованием копирных приспособлений;

- рекомендации по оформлению участков сопряжения винтовых поверхностей калибров;

- методику расчета профиля гиперболического винтового калибра;

- технологию и технологическую оснастку для механической обработки гиперболических калибров точением и шлифованием;

- методику расчета профилей и проводок и оценки нагрузок вдоль проводки при холодной прокатке.

Научная новизна работы состоит в создании методики конструирования валков для ПВП, обеспечивающей технологичность конструкции их формообразующих элементов за счет аппроксимации теоретического профиля и сопряжения участков интерполяционными кривыми, используемыми в станках с ЧПУ.

Теоретически установлена возможность улучшения качества заготовок, получаемых в процессе ПВП в холодном состоянии, при изготовлении сопряженных образующих бочек этих ват ков.

Разработана методика конструирования валков для ПВП с сопряжением образующих поверхностей • в форме цилиндра и гиперболоида, а также технологические рекомендации и оснастка для шлифования калибра с одновременным обеспечением сопряжения бочек

шлифовальным кругом, траектория движения подач которого представляет фрагмент гиперболы.

Практическая ценность. Разработано две конструкции копирных приспособления- для фрезерования и шлифования винтовых калибров с получением теоретически точного положения направляющей. Созданы программные модули, позволяющие проводить расчеты профиля гиперболических калибров и аппроксимацию этих профилей для изготовления на станке с ЧПУ, оценивать усилия при прокатке в зависимости от величины занижения проводки от оси прокатки и по длине проводки, рассчитывать профили проводок. Предложены новые технологические схемы обработки гиперболических винтовых калибров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ, проводимых с 1997 по 2000 год, на международной юбилейной научно-технической конференции, посвященной 60-летию механико-технологического факультета ТулГУ «Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, станков и инструментов» - Россия, Тула, 1997 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано пять печатных работ. .

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из && наименований. Работа содержит страниц машинописного текста, рисунков,

таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы основные задачи выполняемых исследований.

В первой главе рассмотрены особенности ПВП, схемы процесса, конструктивные параметры винтовых калибров. Описана разработанная кафедрой «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ методика расчета направляющей винтовой поверхности, представляющая собой итерационный процесс, основанный на постоянстве деформаций и единичных обжатий при формовке заготовки. При таком подходе закон изменения высоты реборды или функция изменения радиуса перемычки, как и функция изменения ширины реборды при вершине, изменяются по закону геометрической прогрессии и описываются зависимостями (1), (рисунок 1):

Яр, Ик - радиус перемычки или расстояние от вершины реборды до оси прокатки, соответственно, рассматриваемого, начального и конечного сечений;

аФ, а0, а^ - ширина реборды при вершине или ширина перемычки, соответственно, рассматриваемого, начального и конечного сечений;

Ф, <рк - угловая протяженность, соответственно, рассматриваемого и калибрующего участка валка;

Проведен анализ механической обработки винтовых калибров точением и фрезерованием. Обработка точением на серийном оборудовании ведется по участкам винтовой поверхности переменного шага. Такой способ характеризуется неизбежными отклонениями отдельных участков от номинального положения, что отражается на внутренней структуре . заготовок, их форме и усилиях прокатки. Кроме того, прорезание проводится вначале прорезными резцами, или близкими по форме фасонными резцами, а затем чистовым резцом, такая схема работы исключительна трудоемка. При работе чистового резца из-за неблагоприятных условий резания возникают вибрации и, как следствие, в процессе обработки на поверхности возникает множество выступов и впадин, что приводит к последующему возникновению вибраций по следу.

Фрезерование винтовых калибров осуществляется с помощью специальных приспособлений или на станках с ЧПУ.

По сравнению с точением^фрезерование имеет ряд преимуществ:

■ производительность такого способа выше, чем при точении;

В при использовании копира возможно получать идентичные ручьи, без применения процедуры аппроксимации.

Отмечено, что у валков, винтовая поверхность которых составлена из участков винтовых поверхностей с различными шагами, в процессе прокатки заготовки, перемещаясь с одного участка винтовой поверхности на другой, в местах изломов испытывают удары первого и второго рода. Возникновение ударов связано с тем, что заготовка, находящаяся в ручье и двигающаяся в направлении оси OZ (рисунок 2), имеет в этом направлении, при постоянном шаге винтовой линии Т| постоянную скорость перемещения.

Рисунок 2. Пример оформления дугой окружности на развертке по диаметру ёв, участка изменения шага.

В месте перехода на другой участок винтовой поверхности, т.е. в месте излома, имеющий другой шаг подъема Т2, заготовка почти мгновенно приобретает скорость

Т

г, = - • ы = • со; (2)

я

12 - ■ * со = р, »со (3)

где р,, рг винтовые параметры;

со - скорость вращения валков. Ускорение на этом участке достигает значительных величин и носит ударный характер.

ДУ рт - Р| „ „ . ДУ

= са • - ~ - - 1 • рЦД1->0;------->оо;(4)

Д1 Д1 АХ

Рассмотрено несколько случаев оформления переходных участков между шагами Т1 и Т2.

С этой целью в развертке винтовой линии по диаметру с1„ на плоскость покажем более подробно участок сопряжения (рисунок 2) с исполь-■ зованием следующих обозначений: к - длина проходного участка; ф£ - угол поворота валка, соответствующий участку !х; Р,;Р, - углы подъема винтовых поверхностей с шагами Т, и Т2 соответственно;

! - текущая линейная координата на переходном участке. Определив радиус окружности

'< .(5)

5111 [5 2 ~ &1П Р |

и угловую меру сектора,

дар = япр| + гь*ф,(6) К

ограниченного аппроксимирующей дугой, возможно рассчитать скорость в любой точке дуги

0 1000

и. следовательно, продифференцировав выражение (7) рассчитаем >скорение

.(8)

Ач 1000 со53р.Я Подставляя в полученные зависимости угловую координату ф можно рассчитать ускорение в любой точке аппроксимирующей кривой. Таким образом, зная уравнения кривой, возможно, произвести численный анализ

ускорений. В результате расчетов ускорений для дуги окружности и параболы были получены следующие результаты (рисунок 3).

Таким образом, при оформлении переходного участка необходимо учитывать вид кривой, ее монотонность и возможность реализации на станке с ЧПУ.

Во второй главе вводятся понятия правильности и точности применительно к винтовым калибрам. Смысл правильности, как первого комплексного показателя качества состоит в том, чтобы конструктивные параметры винтовых калибров, от которых зависит функционирование процесса поперечно-винтовой прокатки, в максимальной степени были приближены к идеально возможным.

К наиболее важным конструктивным параметрам функциональной направленности в винтовых калибрах относят принятую закономерность роста высоты реборды, закон изменения ширины перемычки при вершине реборды, профиль образующей (е) формируемого изделия.

\

!( Кдуги=2192 мм

/ \ (1в=200 мм

и-1----Т1=14,94 мм/об

\ Т2=20 мм/об

-♦-Дуга

- Парабола

100

50

0 ~ - , Т " ¥

О 2 4 « 8 10

величина угла, в градусах.

Рисунок 3. Ускорения на переходных участках при использовании в качестве сопрягающей линии дуги окружности и параболы в развертке по <1.. .

Параметры точности для винтовых поверхностей переменного аксиально-радиального шага кроме известных требований по физико-химическому составу металла, погрешностей формы и взаимного расположения

поверхностей, ставят задачу о минимальной достаточности чертежной информации для объективного контроля.

Проанализированы возможные способы интерполяцш^пригодные для применения при изготовлении винтовых поверхностей валков, а также рассмотрены варианты аппроксимации теоретической винтовой поверхности винтового калибра, спроектированного для прокатки помольных шаров 0 20 мм.

Аппроксимация винтовой поверхности переменного шага винтового калибра возможна для использования следующих видов интерполяции:

■ участками винтовых линий постоянного шага реализуемых на токарных станках или станках с ЧПУ;

И участками винтовых линий с переменным шагом, изменяющимся по закону арифметической прогрессии и реализуемых на станках с ЧПУ, оборудованных устройством ПУ пятого поколения; В участками параболических линий используемых некоторыми системами

ЧПУ.

Рисунок 4. Теоретическое положение направляющей, винтовой линии постоянного шага и винтовой линии переменного шага, изменяющегося по закону арифметической прогрессии.

В первом случае винтовые линии обеспечиваются либо стандартными шагами подач, либо при использовании СЧПУ заданием кадра 017 в02 (СОЗ) X \ Z I 5 Г ПС, обеспечивающим винтозую интерполяцию по заданным координатам ХУг, что позволяет получить винтовую линию любого шага. Недостаток такого способа;- закон изменения винтовой линии постоянного шага отличается от общего случая изменения направляющей винтового калибра, в связи, с чем необходимо использовать большее количество участков аппроксимации (рисунок 4).

Во втором случае, шаг аппроксимирующей винтовой линии изменяется по закону арифметической прогрессии а„ =о, + д-(и-1)[, и такая линия программируется кадром GЗЗZ-100000K2500F250, с указанием Д шага по ведущей координате под кодом Р. Закон изменения такой винтовой линии близок к законам изменений функций радиуса перемычки и ширины реборды, что позволяет при аппроксимации снизить количество аппроксимирующих участков винтовой поверхности, и, следовательно, снизить динамические нагрузки (рисунок 2). В обоих случаях допуск на аппроксимацию принимался 7% от объема заготовки, что в пересчете на

л. Л"' осевую длину заготовки в форме шара составляет ЛЯ = ^...... -. (9)

я-II2

4

Показано, что любая аппроксимация нарушает правильность,т.к. в этом случае теоретически точная направляющая винтовой поверхности заменяется на приближенную технологическую, и с этой точки зрения копировальные приспособления являются предпочтительней систем ЧПУ.

В третьей главе рассматривается ПВП б холодном состоянии (рисунок 5), когда применяется сочетание гладкого и профильных валков, что оправдано относительно небольшими - 2-5 мм диаметральными размерами прокатываемой заготовки. Проведен анализ зазоров, возникающих между исходным прутком и формируемой заготовкой. Доказано, что при диаметрах валков 200 мм, длине заготовки 35 мм и диаметре заготовки 3,5 мм необходимо компенсировать возникающие зазоры.

Предложены следующие варианты сочетания гладкого и профильного валков:

- гладкий валок выполняется как гиперболический, а профильный валок, как цилиндрический;

- гладкий валок выполняется как цилиндрический, а профильный как гиперболический;

- и гладкий и профильный валок изготовляются гиперболическими.

Наиболее целесообразным признан вариант применения цилиндрического профильного валка с гладким гиперболическим валком, как наиболее технологичный. Расчет профиля гиперболического валка проводился в сечениях валка и заготовки, перпендикулярных оси прокатки, принималось, что рассматривается гиперболический калибр. Цилиндрическая поверхность ватка в сечении образовывала эллипс, а исходного прутка окружность (рисунок 5). Записав уравнение эллипса, и, принимая центр системы координат в центре эллипса, на основании ДЛ9СсодО/См| определены координаты точек касания эллипса и окружности, а затем и радиус ватка в этом сечении. Для упрощения расчетов», вместо эллипса рассматриваюсь окружность, при этом разница в полученных результатах оказывалась незначительной (в 3-4 знаке после запятой).

Образующая Образующая цилиндрического

Предложены следующие технологические варианты изготовления цилиндрических и гиперболических валков:

■ при развороте валка на рабочий угол и установке круга в положение заготовки на универсально-заточных станках;

■ на резьбошлифовальном станке с применением специально сконструированного приспособления;

Я точением на станках с ЧПУ, Для изготовления гиперболических валков на станках с ЧПУ, предложены варианты использования линейной и круговой интерполяции.

Для рассматриваемого случая аппроксимации профиля гиперболического калибра, при использовании отрезков прямых линий, количество участков было меньше, чем при использовании дуги окружности, точность аппроксимации составляла 0,03 мм.

При использовании резьбошлифовального станка поперечная подача осуществляется за счет использования копирной линейки, а винтовое движение переменного шага за счет сложения поступательных движений от копира и стола станка.

Разработан математический аппарат для определения профиля проводок и соответствующий программный комплекс для его реализации.

Предложена методика проведения метрологической экспертизы стана поперечно-винтовой прокатки и способов установки проводок.

Силовой анализ процесса прокатки позволил определять параметры установки проводок относительно оси скрещивания валков, при которых возможно снизить возникающие усилия. Силовой анализ (рисунок 6) проводился на основе двух состояний системы в покое и при вращении, т. е.

= 0 и £ м, =0 (10)

Учитывая силу трения можно оценить нормальные усилия вдоль длины проводки в зависимости от расстояния от оси прокатки до оси прутка Ь.

* N

-rirr

"¡"¡"/!tT"ii""t

..LLiiiUU ; i,( :(ii! tf !

-4—ft- -i/-\-T\-4—I—h- i—i-—i

■W i!\H- -r-;-! i- -ir\i—i—t-j-i

! / i ; i « !

—* —Й j\ i—-Hi--U--

rrr_.._ .

■-■■f-n

Ось

прокатки.

L, мм

Проводка

0 30 60 90 120 ISO

ds = 200 мм, d3ar - 3,5 мм, пв = 160 об/мин Рисунок 6. Величина силы,действующей на проводку длиной 150 мм, относительно величины силы действующей на валок.

Л',. =

''' ft-(Л'я ■(! + sinfa - и'„)) + Л', -(1 - sin(a - if,)))

л;(Ц)

где н> = arcsin

СI' ■ п /2-sin/?, + h

и и<„ = arcsin

l4- sin/5, - h

■(12)

В четвертой главе рассмотрены формы пластин и марки твердых сплавов, применение которых возможно при обработке винтовых калибров, а также технология прорезания ручьев при изготовлении винтовых калибров точением.

Предложен вариант модернизации фрезерного приспособления для фрезерования винтовых калибров. Модернизация исключает работу гитары сменных колес с повышающим передаточным отношением за счет установки электродвигателя постоянного тока на валу круговой подачи.

Предложено вместо фрез использовать однозубую расточную головку с микрометрическим регулированием для чистового растачивания ручьев винтовых калибров. Такая замена позволит увеличить точность получаемой канавки, увеличить скорость резания и, соответственно, производительность.

Основные выводы по работе.

1. Предложено для оценки качества винтовых калибров использовать критерии правильности и точности. Установлено, что теоретически правильной считается винтовая поверхность калибра, образованная самой заготовкой с использованием движений необходимых для реализации процесса ПВГ1. Точность винтового калибра оценивает^ соответствием конструкторской документации изготовленному инструменту.

2. Доказано, что без принятия специ&тьных мер ограничивающих динамическое поведение заготовки нарушаются критерии правильности и предложены копировальные устройства для фрезерования и шлифования, позволяющие обеспечить плавность процесса ПВП.

3. Разработаны методики аппроксимации теоретической направляющей винтового калибра с помощью приемов интерполяции современных систем ЧПУ.

4. Установлено, что при холодком формообразовании изделий с соотношением I/с! > 10, необходима коррекция калибров с целью устранения зазоров, возникающих между исходным прутком, заготовкой и валками. Показано, что наиболее технологичным является сочетание гладкого гиперболического валка с цилиндрическим профильным.

5. Предложены методы аппроксимации гиперболической образующей гладкого валка с учетом возможностей систем ЧПУ.

6. Проанализирована динамическая нагруженность направляющих элементов (проводок) и теоретически определены наиболее рациональные параметры установки винтовых калибров.

7. Разработаны конструкция приспособлений для фрезерования и шлифования винтовых калибров. Эти приспособления позволяют получать теоретическую направляющую.

8. Выполнен метрологический анализ стана ПВП и способов установки проводок. Предложено два способа, позволяющих точно устанавливать проводки и выполнен анализ силы нормальной реакции опоры проводки, на основании результатов которого определен интервал значений параметра Ь, в котором силовые нагрузки на проводку уменьшаются.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях.

1. Илюхин С.Ю., Крутилин С.А., Разумов-Раздолов К.Л. Концептуальные основы профилирования сложных винтовых поверхностей дисковыми инструментами //Технология механической обработки и сборки. -Тула: ТулГУ, 1996. - С. 121 - 124.