автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка эффективного долбежного инструмента для обработки сложных криволинейных поверхностей по методу обкатывания

На правах рукописи

Понкратов Павел Александрович

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ДОЛБЕЖНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЛОЖНЫХ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПО МЕТОДУ ОБКАТЫВАНИЯ

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ДЕК 2013

Курск - 2013

005543836

005543836

Работа выполнена на кафедре машиностроительных технологий и оборудования в Юго-Западном государственном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Барботько Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Козлов Александр Михайлович,

доктор технических наук, профессор, Липецкий государственный технический университет, заведующий кафедрой «Технология машиностроения»

Тарапанов Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс, профессор кафедры «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Ведущая организация: Брянский государственный технический университет

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.09 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94 (аудитория Г-7).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Юго-Западного государственного университета по адресу: г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.105.09

В.В. Куц

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последнее время в отечественном и зарубежном машиностроении находят применение механизмы, в составе которых имеются соединения деталей, заданных специальным профилем. Профильные соединения в нормальном сечении могут иметь самые различные конфигурации, основанные на криволинейной геометрии. Большой научный вклад в разработку профильных соединений внесли отечественные ученые: С.Г. Лакирев, С.Г. Чиненов, JI.C. Борович, JI.M. Червяков, А.И. Тимченко, С.Г. Емельянов и др., а также зарубежные исследователи: Р. Мюзиль (R. Musyl), А. Франк (A. Frank), JI. Грибовски (L. Gribovski) и др. Несмотря на доказанные приведенными авторами эксплуатационные и технологические преимущества профильных соединений, они все еще не находят широкого распространения в отечественном машиностроении.

Зарубежный опыт показывает, что традиционные соединения деталей машин, построенных на основе шлицевых и шпоночных соединений, являются зачастую не только не технологичными, но и более затратными по сравнению с профильными. С целью обеспечения конкурентоспособности отечественного машиностроения необходимо создать технологическое обеспечение изготовления профильных соединений на базе универсального оборудования. Сегодня профильные соединения создаются на основе деталей со сложными криволинейными поверхностями.

Одним из путей решения проблемы получения профильных соединений является применение широко распространенного долбежного оборудования как наиболее универсального в условиях отечественного машиностроения без необходимости закупки дорогостоящих станков с ЧПУ. На долбежном оборудовании возможна обработка как наружных, так и внутренних профильных поверхностей, что сокращает число станков производственной линии обработки деталей типа вал и втулка, затраты на производственные площади и количество рабочих.

Долбежный инструмент имеет ряд эксплуатационных преимуществ по сравнению с другими металлообрабатывающими инструментами. Для большого числа деталей долбяк является финишным инструментом, т.е. помимо послойного снятия технологического припуска он задает окончательную форму, размеры и качество поверхности обрабатываемой детали. Кроме того, долбежный инструмент может быть использован в тех областях обработки, где другим типом инструмента осуществить обработку невозможно либо менее рационально, в том числе исходя из себестоимости операции. К таким типам обработки относится обработка внутренних поверхностей, поверхностей, имеющих бурт, либо обработка «в упор». В работах российских ученых: М.И. Юликова, В.М. Матюшина, Н.И. Жигалко и В.В. Киселева, В.А. Аршинова, Г.А. Алексеева, И.И. Семенченко и др., достаточно глубоко рассмотрены аспекты получения точных параметров долбежного инструмента, в частности связанных с обработкой профильных соединений. Однако несмотря на глубокую исследованность теоретических положений по его изготовлению все еще остаются актуальными задачи проектирования и уменьшения погрешности производящего контура его режущей кромки. Кроме того, углы заточки долбяка оказывают существенное влияние на: геомет-

рию обрабатываемой детали - погрешность контура детали, пределы допуска на которую необходимо обеспечить в случае, если при переточке изменить передний угол для улучшения режущих способностей инструмента, в зависимости от состояния материала обрабатываемой детали; качество поверхности - ее шероховатость.

В связи с этим направление исследований по получению контура долбяка для обработки профильных соединений, с возможностью определения и управления погрешностью формообразующего контура инструмента и, соответственно, обработанных деталей, применяемых в инновационных, наукоемких, военных и гражданских объектах производства, является перспективным, а задача - актуальной для науки и техники.

Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ РФ по теме «Разработка и исследование жизненного цикла сложных наукоемких технических систем на основе С АЬ Б-технологий» (НШ-4423.2012.8).

Цель работы — разработка инструментального обеспечения обработки резанием деталей профильных криволинейных соединений типа вал и втулка, определение и управление значением геометрической точности инструмента, работающего по методу обкатывания, с использованием универсального оборудования, при наименьших затратах на производство.

Для достижения намеченной цели в диссертации поставлены следующие задачи:

1) провести анализ технологических процессов обработки сложных криволинейных поверхностей профильных моментопередающих соединений с применением различного станочного и инструментального обеспечения;

2) разработать способ проектирования режущего инструмента, формообразующего сложные криволинейные поверхности по методу обкатывания, с возможностью его автоматизации;

3) рассмотреть способы задания образующей контура инструмента путем аппроксимации его режущей кромки различными геометрическими кривыми;

4) провести анализ и синтез конструктивных параметров инструмента, обеспечивающих различные схемы съема припуска в условиях непостоянной глубины резания, с обеспечением рационального использования инструментального материала;

5) рассмотреть способы формирования углов заточки долбяка в условиях различных типов производства и использования инструмента;

6) установить теоретические зависимости, выражающие влияние углов заточки инструмента на отклонение контура режущей кромки от расчетной, в проекции на основную плоскость, с целью обеспечения получения геометрически точного профиля обрабатываемого изделия;

7) разработать способ определения оптимальных конструктивных параметров инструмента и режимов обработки, методом графической интерпретации количественных значений степенных зависимостей;

8) провести апробацию разработанного инструментального обеспечения и теоретических положений по его изготовлению в условиях инструментального производства.

Методы исследования. С целью обеспечения теоретических расчетов и получения физической модели экспериментального обеспечения были использованы: методы аналитической геометрии, моделирование на ЭВМ с применением программных продуктов SolidWorks 2010, KOMIIAC-3D VIO, Matchcad 15, Delphi 16 (XE2), статистический анализ результатов планируемых экспериментов, численные эксперименты, основные положения классической теории резания, геометрической теории формирования поверхностей резанием и высшей математики, программный продукт Mastercam Х7 для реализации численного управления про-волочно-вырезного электроискрового станка с ЧПУ Sodick AQ535L. Достоверность результатов и выводов подтверждена практически при испытаниях на базе механических цехов Курского ОАО «Прибор».

Объект исследования. Разработка специального долбежного инструмента для формообразования деталей типа вал и втулка, имеющих профильную криволинейную поверхность.

Предмет исследования. Разработка способов обработки профильных отверстий и валов. Профилирование рабочего контура долбяка, определение искажения формообразующей линии режущей кромки инструмента в зависимости от его типоразмера углов заточки.

Научная новизна работы:

1. Определена конфигурация задней поверхности профильного долбежного инструмента для обработки сложных криволинейных поверхностей путем задания ее формы как конусной в результате выполненной аппроксимации образующей его режущей кромки в исходном сечении дугой окружности.

2. Впервые установлены теоретические математические зависимости, отражающие отклонение проекции режущей кромки профильного долбяка на основную плоскость по отношению к расчетному в исходном сечении для каждой конкретной точки контура, в зависимости от типоразмера и изменения углов заточки инструмента.

3. Разработан и раскрыт способ определения оптимальных показателей значений конструктивных параметров долбяка методом графического определения количественного значения степенных моделей, алгоритм действия которых реализован в среде компьютерной программы, позволивший повысить наглядность влияния изменения исходных конструктивных параметров профиля инструмента на искажение контура режущего инструмента по отношению к расчетному, в связи с изменением каждого из параметров типоразмера и углов заточки, тем самым снизить объем расчетов, ускорив выбор оптимальных конструктивных показателей инструмента из интервала имеющихся значений.

Практическая ценность работы:

1. В результате проведенного анализа технологических процессов обработки сложных криволинейных поверхностей установлена целесообразность применения для обработки профильных моментопередающих соединений специального

профильного инструмента, работающего по методу обкатывания, с применением универсального оборудования на основе долбежного.

2. Разработан способ и указаны особенности проектирования инструмента на основе профильных долбяков для формообразования сложных криволинейных поверхностей втулок и валов профильных соединений, выполнена их программная реализация на ЭВМ, позволившая достичь сокращения конструкторского времени на проектирование и повысить точность выполняемых расчетов.

3. На основе проведенного анализа металлорежущего инструмента был выполнен синтез новых конструкций долбежного инструмента, построенных на различных схемах съема припуска в условиях непостоянной глубины резания, позволивший определить их преимущества и недостатки, дать рекомендации по области применения каждой конструкции.

4. На основе анализа способов изготовления инструмента созданы рекомендации по формированию их задней поверхности на проволочных электроискровых станках с ЧПУ в условиях инструментального производства, а передней поверхности по способу заточки из центра с целью обеспечения возможности переточки в условиях машиностроительных производств. На основе данных рекомендаций созданы способы определения искажения истинного контура режущего контура инструмента по отношению к расчетному.

5. Проведена апробация долбежного инструментального обеспечения для обработки сложных криволинейных поверхностей по методу обкатывания с внедрением на производстве.

Область исследований. Содержание диссертационной работы соответствует п. 4 «Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки» паспорта специальности 05.02.07 - «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки».

На защиту выносятся:

1. Способ построения исходного контура долбежного инструмента, позволяющий автоматизировать проектирование инструмента.

2. Новый вид конструкции профильного инструмента для формирования деталей со сложной криволинейной поверхностью профильных моментопередаю-щих соединений типа вал и втулка.

3. Способ задания образующей контура режущей кромки инструмента путем аппроксимации различными геометрическими кривыми.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выраженных в виде системы математических зависимостей, характеризующих искажение линии, образующей поверхность долбяка, в зависимости от конструктивных параметров и углов заточки инструмента.

5. Способ оценки и назначения конструкторско-технологических параметров обработки путем графического определения количественного значения степенных моделей.

Реализация результатов работы. Результаты работы прошли промышленные испытания на предприятии Курское ОАО «Прибор», и приняты к внедрению в ООО «Комплект». Материалы диссертации используются в научно-исследовательской работе научно-образовательного центра «Управление технико-экономическими системами» Ульяновского государственного технического университета, в учебном процессе кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование» Юго-Западного государственного университета при изучении дисциплин «Процессы формообразования и инструментальная техника» и «Детали машин и основы конструирования».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование» ЮЗГУ (2010-2013 гг.), Ш Международной научно-технической конференции «Современные автомобильные материалы и технологии» (Курск, 2011 г.), VII, VIII международных научно-технических конференциях «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2010, 2011 гг.), I Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и технике» (Курск, 2011 г.), П Международной научно-практической конференции «Современные инновации в науке и технике» (Курск, 2012 г.), 2-й Международной научно-практической конференции «Техника и технологии: Пути инновационного развития» (Курск, 2012 г.), XVII Международной заочной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2013 г.), IV Международной научно-практической конференции «Интеграция науки и практики как условие экономического роста» (Ульяновск, 2013 г.), V Международной научно-технической конференции «Машиностроение - основа технологического развития России (ТМ-2013)» (Курск, 2013 г.), Конкурсе молодежных научно-исследовательских работ Санкт-Петербургского государственного политехнического университета «Технологическая разработка инструментальных систем обработки некруглых поверхностей двух диаметров» (Диплом III степени) (2013 г.), VI Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов (Москва, 2013 г.) (Диплом I степени по направлению «Инструментальная техника и технологии»).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 23 печатные работы, в том числе 4 в рецензируемых научных журналах, получено 2 патента на изобретение, 2 патента на полезную модель, 3 свидетельства об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены автором лично. В работах, опубликованных в соавторстве н приведенных в автореферате, автору принадлежат: выполнение анализа технологических процессов обработки профильных моментопередающих соединений с применением различного станочного и инструментального обеспечения [7; 19]; определение параметров обеспечения прочностных характеристик профильного вала в зависимости от его типоразмера и количества граней [23]; разработка нового типа соединения [17]; разработка способа проектирования исходного сечения долбяка для обработки вала и втулки [5; 22]; разработка принципа реализации моделирования профиля ин-

струмента с применением ЭВМ [5; 20]; разработка принципиальных конструкций инструмента [з; э; 10; 13]; решение вопроса технологичности изготовления и использования инструмента в условиях производства, экономической эффективности [в; 16]; определение математических зависимостей, выражающих погрешность фактического контура инструмента по отношению к расчетному [1]; определение основных конструктивных параметров для контроля профиля детали [14]; разработка принципиальной конструкции измерительного инструмента профильных долбяков [12; 18]; разработка способа определения параметров инструмента [2; 3; 21].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 135 наименований, и приложений. Работа изложена на 200 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткая характеристика состояния проблемы, обосновывается актуальность выполненного исследования, определяется цель и ставятся задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе диссертации содержится обзор научной литературы, относящейся к классификации видов профильных соединений и их обработке. Рассмотрены примеры применения деталей с профильными соединениями в различных механизмах и машинах. Проведен анализ проблемы получения данного вида соединений, показавший, что существующие методы обработки имеют недостатки, заключающиеся в низком качестве обработки либо существенной стоимости, неприемлемой для некоторых типов производства. Выполнен обзор литературных источников, посвященный вопросам профилирования режущих инструментов, выделен наиболее приемлемый для условий серийного производства метод обработки деталей профильных соединений. Рассмотрены основные геометрические параметры, определяющие контур в нормальном сечении. Показано, что наиболее простые сечения имеют вид правильных многогранников, другие же описываются сложными замкнутыми кривыми, определяемыми в зависимости от функционального значения детали в узле, для которых характерны также симметричные выступы и впадины, число которых N равно числу осей симметрии (рис. 1). Указанные кривые могут быть охарактеризованы следующим зависимостями:

1) R = a, х2 + v2 * const, т. е. уравнение, выражающее контур профиля не совпадает с уравнением окружности (рис. 1, а);

2) х2 +у2 = R2 = const, т.е. линия 2 (рис. 1, а, б) является частью окружности, описанной около профиля начальной фигуры сечения, и может быть выражена формулой окружности, при этом радиус описанной окружности будет выражаться

известными формулами: = = = (Рис- 1, а); я = ~ (рис. 1,6);

3) г = ~> т. е. точка центра формообразующего радиуса г лежит на середине стороны начальной фигуры сечения.

Рис. 6. Параметризация контура режущей части: а - сечение конусной части через геометрический центр долбяка: а - задний угол заточки долбяка; у - передний угол; Од - геометрический центр долбяка (начало координат); Ос - центр конусной части сектора режущей кромки долбяка; И - высота конусной части; К- вершина конусной части; В - точка наибольшего удаления режущей кромки от геометрического центра долбяка (точка с «нулевой» погрешностью); Яс-радиус аппроксимационной окружности режущей кромки в исходном сечении; б - схема задания режущей кромки в исходном сечении: Яд - радиус вписанной (обкаточной) окружности долбяка; - расстояние от вписанной в долбяк окружности до максимально удаленной от его геометрического центра точки (половина разницы между вписанной и описанной окружностями)

4^77—+=+- у). tga

Получить функцию эллипса можно в среде вычислений МаЛсасГ Подставив конкретные значения, например: Я„ = 40,7; кс = 36,16; а = 8°; у = 5°, получим следующую формулу:

у = 0,434 - 4 • 10"9 ■ х/4,470 - 3,595 • х2. (8)

В четвертой главе на основе статистического анализа результатов планируемых экспериментов выведена математическая зависимость в виде системы уравнений, отражающая зависимость погрешности исходного профиля по сравнению с «идеальным» в зависимости от типоразмера долбяка и углов заточки. Система уравнений состоит из зависимостей, имеющих ограничение по области определения погрешности относительно контура долбяка. Теоретически определено, что число уравнений должно быть кратно количеству секторов 10°, приходящихся на одну грань, зависящей соответственно от общего числа режущих кромок п инструмента. Однако, исходя из условий возможности замеров и вероятности ошибки, число таких секторов может сократиться ввиду объединения части секторов по градусной мере, допустимой к рассмотрению из условия возможности замеров. Так, например, для профильного долбяка с тремя режущими кромками в интервале 50°...60°, при значениях углов заточки долбяка по передней и задней поверхности до 2°, значение отклонения А выходит за пределы значения 0,0001 мм. То-

, = 2,7183.«^'./^ - «р"7"' ■<*'' -1У'У'■<РП'П" -<*",

где и, А;- числитель показателя степени; g",y",n", к", п", к - зна-

менатель показателя степени, определяемый как половина значения числителя.

Полученные значения возможно использовать для задания изначального корректирующего искажения инструмента с целью получения в процессе обработки годной детали. На основе известных типов профильных соединений и возможности более точного расчета начальных параметров межосевого расстояния, типоразмера и углов заточки проектирования долбежного инструмента для их обработки с ранее неизвестной совокупностью признаков становится возможным более качественный переход к использованию указанных типов соединений.

Рис. 8. Обработка вала: а - пропорциональный способ; б - генераторный способ

Описываются технологические особенности процесса изготовления долбежного инструмента, предназначенного для получения профильного некруглого соединения, построенного на базе контура двух диаметров. На основе вычисленных зависимостей выполнен расчет необходимой коррекции контура инструмента в

Рис" 7. Интерфейс программы (а), графическое отображение результата расчета одной из парных частей множества (о)

Исходя из приведенных выше уравнений становится возможным прогнозировать размерную точность поверхности обрабатываемой детали, в зависимости от требований чертежа, с учетом минимального времени на обработку (Тмаш)- Соответственно, снижается стоимость обрабатываемых таким способом соединений, по сравнению с обработкой другими способами. ..............................

исходном сечении с учетом накладываемых в процессе его изготовления углов заточки. Рассмотрены технологическое оборудование, схема его настройки на требуемые параметры обработки, контрольно-измерительные средства, необходимые для контроля инструмента и обработанной детали.

Изготовлены образцы инструмента и выполнена обработка пробной партии деталей. Проведен ряд экспериментов (рис. 8), результаты которых подтвердили полученные ранее математические зависимости.

В заключении показана актуальность применения в современном отечественном машиностроении профильных соединений, в частности построенных на базе контура двух диаметров. Доказана технологичность изготовления деталей валов и втулок с применением указанного соединения на базе долбежного оборудования. Исходя из анализа полученных экспериментальных данных, можно говорить о справедливости полученных математических зависимостей. Применение изложенной теории позволяет определять с достаточной точностью контур режущей кромки долбежного инструмента для обработки элементов деталей профильных соединений на базе контура двух диаметров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ способов обработки показал, что совмещение движений резания и профилирования одновременно с частичным перенесением функций кинематики формообразования станка на инструмент позволяет упростить кинематические схемы обработки элементов деталей профильных соединений, снижает время операции и обеспечивает низкую ее себестоимость при использовании универсального оборудования.

2. Способ проектирования исходного сечения долбежного инструмента, основанный на движении контура обрабатываемого профиля относительно фиксированного начального положения точки обката, с выполняемой корректировкой при каждом последовательном смещении инструмента, используемый для применения в среде автоматизированного проектирования на ЭВМ, позволяет сократить конструкторское время, необходимое для расчета образующей линии исходного сечения инструмента.

3. Анализ способов аппроксимации траектории режущей кромки и конструктивное исполнение инструмента для обработки профильных соединений, построенных на базе контура двух диаметров, показал, что дуга окружности наиболее полно характеризует номинальную режущую кромку в исходном сечении инструмента. Это позволило получить математическое уравнение профиля инструмента при наложении углов заточки, позволившее создать автоматизированную систему для получения скорректированного контура долбяка, с учетом последующей заточки, обеспечивая снижение погрешности формы получаемого изделия.

4. Анализ и синтез схем съема припуска при обработке резанием долбяка-ми позволил сформулировать две основные концепции их проектирования, заключающиеся в изменении числа режущих кромок на рабочей поверхности от одной кромки (генераторная схема резания) до количества, равного или кратного количеству граней на криволинейной поверхности (пропорциональная схема ре-

стия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии. - 2012.-№2, ч. 1. - С. 54-57.

2. Графический метод определения параметров технологического процесса заданного степенной функцией [Текст] / А.И. Барботько, М.С. Разумов, П.А. Понкратов [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии. - 2012. - №2, - ч.З. - С. 64-67.

3. Автоматизированная система для реализации графического решения степенных функций [Текст] / А.И. Барботько, М.С. Разумов, П.А. Понкратов [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2013. - №1 (46) - С 90-94.

4. Проектирование профиля долбежного инструмента для формирования профильных отверстий [Электронный ресурс] / П.А. Понкратов, А.И. Барботько, М.С. Разумов [и др.] // Современные проблемы науки и образования: электронный научный журнал. - 2013. - №5. - Режим доступа: http://www.science-education.ru.

Научные работы, опубликованные в других изданиях

5. Понкратов, П.А. Проектирование долбяка для формообразования фасонных поверхностей на примере правильного шестигранника [Текст] / П.А. Понкратов, М.С. Разумов // Техника и технологии: Пути инновационного развития: материалы Международной научно-практической конференции / Юго-Зап. гос ун-т -Курск, 2011.-С. 103-107.

6. Понкратов, П.А. Автоматизированное проектирование профиля инструмента для формообразования деталей по методу обката [Текст] / П.А. Понкратов, М.С. Разумов // Современные автомобильные материалы и технологии: материалы III Международной научно-технической конференции / Юго-Зап. гос ун-т Курск, 2011.-С. 113-117.

7. Барботько, А.И. Анализ методов формообразования элементов профильных соединений [Текст] / А.И. Барботько, П.А. Понкратов // Современные материалы, техника и технология: материалы Международной практической конференции / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. - С. 271-274.

8. Барботько, А.И. Особенности изготовления долбежного инструмента для обработки профильных соединений [Текст] / А.И. Барботько, П.А. Понкратов, М.С. Разумов // Техника и технологии: Пути инновационного развития: материалы 2-й Международной научно-практической конференции / Юго-Зап. гос ун-т -Курск, 2012.-С. 36-39.

9. Понкратов, П.А. Технология обработки профильных валов чашечными долбяками [Текст] / П.А. Понкратов, А.И. Барботько, М.С. Разумов // Технические науки - от теории к практике: XVII Международная заочная научно-практическая конференция. - Новосибирск: СибАК, 2013. - ч. 1. - С. 75-79.

10. Барботько, А.И. Метод генераторной обработки профильных валов долбяками [Текст] / А.И. Барботько, П.А. Понкратов, М.С. Разумов // Машиностроение - основа технологического развития России (ТМ-2013): материалы V Международной научно-практической конференции / Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск 2013 - С. 440-442.

11. Понкратов, П.А. Определение длины режущей кромки долбежного инструмента геометрическим способом при определении параметров в начальном сечении [Электронный ресурс] / П.А. Понкратов // Research Journal of International Studies: материалы XVII заочной научной конференции. - 2013. - №7 (14), ч.2. -С. 67-69. - Режим доступа: http://research-journal.org.

12. Барботько, А.И. Микрометр для измерения радиальных размеров профильных долбяков [Текст] / А.И. Барботько, П.А. Понкратов, М.С. Разумов // Интеграция науки и практики как условие экономического роста: материалы IV Международной научно-практической конференции. - Ульяновск: УлГТУ, 2013. -

01 С. 6-9.

13. Понкратов, П.А. Технологическая разработка инструментальных систем обработки некруглых поверхностей двух диаметров [Текст] / П.А. Понкратов, А.И. Барботько, М.С. Разумов // Материалы работ победителей и лауреатов конкурса. - СПб.: Из-во Политехи, ун-та, 2013. - С. 14-16.

14. Аспекты контроля профильных соединений на базе треугольника Рело [Текст] / А.И. Барботько, П.А. Понкратов, М.С. Разумов [и др.] // Сборник научных трудов SWorld. - Вып. 2. - Т. 4. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - С. 92-94.

15. Понкратов, П.А. Проектирование системы долбежных инструментов для обработки профильных поверхностей, сформированных на основе криволинейной геометрии [Текст] / П.А. Понкратов // Будущее машиностроения России: материалы VI Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. - Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - С. 20-21.

16. Понкратов, П.А. Определение стоимости изготовления деталей профильного соединения при использовании различных технологических процессов [Текст] / П.А. Понкратов, М.С. Разумов, А.О. Гладышкин // Безопасность и проектирование конструкций в машиностроении и строительстве: материалы Международной научно-практической конференции / Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2013. - С. 360-364.

Авторские свидетельства и патенты

17. Пат. 102719 Российская Федерация, МПК7 F 16 D 1/06. Бесшпоночное некруглое соединение вал-ступица с натягом [Текст] / Разумов М.С., Барботько А.И., Понкратов П.А. [и др.]; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет». - № 2010143828/11; за-явл. 26.10.2010; опубл. 10.03.2011, Бюл. №7. -4 е.: ил.

18. Пат. 113348 Российская Федерация, МПК7 G 01 В 3/18. Микрометр с базированием по отверстию [Текст] / Барботько А.И., Разумов М.С., Понкратов П.А. [и др.]; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет». - № 2011141101/28; заявл. 10.10.2011; опубл. 10.02.2012, Бюл. №4. - 4 е.: ил.

19. Пат. 2463129 Российская Федерация, МПК7 В 23 В 5/44. Способ обработки профильного вала со сторонами равной ширины [Текст] / Барботько А.И., Понкратов П.А., Разумов М.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное госу-

дарственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет». - № 2011110843/02- за-яв. 22.03.2011; опубл. 10.10.2012, Бюл.№28.-5 е.: ил.

20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012618887. Обратное проектирование рабочей части профильных долбяков [Текст] / Барботько А.И., Разумов М.С., Понкратов П.А. [и др.]; заявл. 03.08 2012-зарег. 02.10.2012.

21. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013611073. Программа для решения степенных функций графическим методом [Текст] / Барботько А.И., Разумов М.С., Понкратов П.А. [и др.]; заявл. 06.12.2012; зарег. 09.01.2013.

22. Пат. 2488466 Российская Федерация, МПК7 В 23 О 3/00, В 23 О 13/00. Способ графического проектирования долбяков для обработки профильных валов [Текст] / Барботько А.И., Понкратов П.А., Разумов М.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» - № 2011142677/02; заявл. 21.10.2011; опубл. 27.04.2013, Бюл. №21. - 7 е.: ил.

23. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013617137. Программа для определения рационального количества граней профильных моментопередающих соединений [Текст] / Быковская Н.Е., Гладыш-кин А.О., Понкратов П.А. [и др.]; заявл. 06.06.2013; зарег. 01.08.2013.

Подписано в печать 20.11.2013 г. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 3& Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, д. 94. Отпечатано в ЮЗГУ

На правах рукописи

04201454939

Понкратов Павел Александрович

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОГО ДОЛБЕЖНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЛОЖНЫХ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПО МЕТОДУ ОБКАТЫВАНИЯ

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - к.т.н., профессор Барботько А.И.

Курск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПРИМЕНЕНИЯ МОМЕНТОПЕРЕДАЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................16

1.1 Состояние вопроса. История создания и развития профильных соединений. Примеры их применения.............................................................16

1.2 Способы задания геометрических параметров профильных соединений. Понятие о криволинейной геометрии........................................20

1.3 Основные конструкции моментопередающих соединений в машиностроении................................................................................................31

1.4 Определение рационального количества граней профильных моментопередающих соединений....................................................................42

1.5 Анализ методов формообразования элементов профильных соединений..........................................................................................................47

1.6 Оборудование для реализации обработки долблением........................51

1.7 Методика исследования. Обоснование выбора метода обработки, кинематической и геометрической схем.........................................................53

1.8 Выводы. Формулировка цели, постановка задач исследования..........55

2 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ........................................................................58

2.1 Разработка способов обработки наружных поверхностей долбяками с числом режущих кромок, равным числу сторон детали................................58

2.2 Разработка способа обработки наружных поверхностей долбяками с числом режущих кромок меньшим числа сторон детали..............................60

2.3 Разработка способа обработки профильной части валов долбяком с одной режущей кромкой...................................................................................64

2.3.1 Разработка способа обработки профильного вала сегментным профильным долбяком...................................................................................65

2.3.2 Обработка профильного вала чашечным долбяком.......................67

2.4 Разработка способа обработки наружных поверхностей с числом режущих кромок большим числа сторон детали............................................70

2.5 Обработка профильных отверстий.........................................................72

2.6 Способ объемного формообразования...................................................74

2.7 Основные формообразующие движения................................................76

2.8 Метод проектирования контура в исходном сечении...........................79

2.9 Выводы.......................................................................................................85

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОЛБЖОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЛОЖНЫХ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБКАТЫВАНИЕМ И ОЦЕНКА ИХ ТОЧНОСТИ...........................................................................................................87

3.1 Особенности проектирования долбежного инструмента для обработки профильных соединений вала и втулки...........................................................87

3.2 Анализ погрешности геометрической формы профильных долбяков в зависимости от углов заточки...........................................................................90

3.3 Определение длины режущей кромки долбяка в исходном сечении . 96

3.3.1 Аналитический способ.......................................................................97

3.3.2 Геометрический способ...................................................................103

3.4 Определение истинной формы режущей кромки профильного долбежного инструмента.................................................................................106

3.5 Разработка графического метода решения степенных функций.......112

3.6 Разработка средств измерения радиальных размеров профильных долбяков............................................................................................................116

3.7 Выводы.....................................................................................................119

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТОЧНОСТИ ИСХОДНОГО СЕЧЕНИЯ ДОЛБЯКА. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ........................................................................................................121

4.1 Определение погрешности формы профильных долбяков методом планирования эксперимента...........................................................................121

4.1.1 Исследование параметров точности долбяков для обработки вала, работающих по пропорциональной схеме.................................................121

4.1.2 Определение параметров долбяка с двумя режущими кромками, для обработки втулки трехгранного криволинейного профиля..............126

4.2 Автоматизированная система для реализации графического решения степенных функций..........................................................................................127

4.3 Алгоритм автоматизированного проектирования профиля инструмента для формообразования деталей по методу обкатывания......133

4.4 Экспериментальные данные для обработки профильных соединений........................................................................................................136

4.5 Методика проведения экспериментальной обработки вала и втулки профильного соединения.................................................................................136

4.6 Исследование параметров шероховатости обработанной поверхности......................................................................................................140

4.6.1 Столик предметный..........................................................................146

4.7 Расчет экономической эффективности обработки..............................147

4.8 Выводы.....................................................................................................153

Основные выводы по работе..............................................................................154

Список литературы.............................................................................................157

Приложения.........................................................................................................174

Приложение 1. Таблицы..................................................................................174

Приложение 2. Акты испытаний, внедрений, свидетельства......................176

Введение

В условиях современных рыночных отношений технический уровень, качество и конкурентоспособность выпускаемых отечественным машиностроительным производством изделий, определяет возможность конкуренции с производителями мирового уровня. Современные мировые тенденции развития промышленности характеризуются значительным увеличением масштабов создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной техники, обеспечивающих рост производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности.

Одним из путей решения вопросов конкурентоспособности является использование новых прогрессивных конструкций деталей машин, позволяющих по сравнению с традиционными, значительно снизить расход металла, затрат энергоресурсов, что в свою очередь, вызывает необходимость совершенствования методов обработки, конструкций станков, режущих инструментов и способов их проектирования.

Примером подобных конструкций могут быть механизмы, содержащие в своем составе, например, профильные моментопередающие соединения. В настоящее время в зарубежном и отечественном машиностроении наблюдается тенденция к широкому использованию профильных (бесшпоночных) соединений, применяемых для передачи крутящего момента. Также широкое применение профильные соединения получили в металлорежущих инструментах и гибких модульных инструментальных системах фирмы Sandvik-Coromant (Швеция), прецизионных зажимных приспособлениях фирмы Schunk (Германия), в необслуживаемых приводах фирмы Lenze (Германия), передачах, промышленных шуруповертах фирмы Boellhoff (Германия), в коленчатых валах судовых двигателей Scania (Швеция), в устройствах отбора мощности коробок передач ZF (Германия) и др. Расширение использования

профильных соединений, является одной из тенденций современного машиностроения, способствующей повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции [43].

Среди процессов формирования деталей в металлообработке место механической обработки и, в частности, обработки резанием, по-прежнему остается главным. Важную роль в обеспечении процесса механической обработки играет инструментальная подготовка производства, так как от эффективности, точности и работоспособности инструмента во многом зависит качество и эффективность всего процесса [75].

Качество режущего инструмента характеризуется его надежностью, т.е. способностью работать безотказно, сохраняя при этом предусмотренные техническими условиями показатели. К таким показателям относятся размерная и геометрическая точность, стойкость. Показатель стойкости характеризует качество режущего инструмента - длительность времени работы между переточками. Чем больше будет это время, тем выше качество такого инструмента. Производство режущих инструментов на современном уровне требует соответствующей подготовки специалистов, иного подхода к проектированию и автоматизации.

Обработка деталей профильных соединений зачастую требует специальных станков, формообразующие движения в которых реализуются с помощью механизмов-построителей [3, 59, 64, 66, 115, 116, 117]. Применение подобного оборудования эффективно лишь для массового и крупносерийного производства. В условиях серийного производства высокопроизводительное и дорогое оборудование будет простаивать, кроме того, оно существенно увеличивает себестоимость деталей, соответственно его использование будет экономически нецелесообразным. Обработка деталей профильных соединений на станках с ЧПУ осуществляется в основном контурным фрезерованием. Данный метод характеризуется низкой производительностью и может быть использован только для обработки внутренних частей соединений, либо только торцовых частей валов. Обработка профильных соединений шеек ва-

лов на станках с ЧПУ токарной группы практически не может быть осуществлена из-за высокой инерционности их поперечных суппортов [55]. Для условий серийного и мелкосерийного производства, характерного для большей части машиностроительных предприятий, наиболее целесообразно применение универсального оборудования общемашиностроительного назначения [19, 85].

Несмотря на эксплуатационные и технологические преимущества профильных соединений, большой вклад в разработку которых внесли и описали в своих работах: С.Г. Лакирев, С.Г. Чиненов [51, 52, 62, 63], Л.С. Борович [25], С.Г. Емельянов [41], Л.М. Червяков [110], А.Г. Схиртладзе [104], Д.В. Чарнко [125], А.И. Тимченко [92, 108, 109, 112, 115, 118], В.М. Синкевич [100] и др., над шпоночными и шлицевыми, они все еще не находят широкого распространения в отечественном машиностроении. Анализ литературных источников показал, что в качестве производящей линии сечения профильных соединений, могут быть использованы различные замкнутые кривые: гипо - и перитрохоиды, РК-профиль, синусоиды. Сравнение геометрии и прочностных характеристик различных профильных соединений с тремя осями симметрии в работах Л.С. Боровича [25], показало незначительность расхождений исследуемых параметров геометрии и несущей способности различных видов профильных соединений, следовательно, обеспечивается одного из первых пунктов качества изделия — обеспечения несущей нагрузочной способности и соответственно, долговечности. Обращая внимание на технологичность изготовления и контроля деталей профильного соединения типа вал и втулка, на примере РД23.800.2.02-89 [92], следует особо отметить так называемый «равноширотный профиль», построенный на базе правильного треугольника с постоянным радиусом, образующим стороны и радиусом скругления при вершинах. В этом виде сопряжений практически отсутствуют места интенсивных концентраций напряжений, что обусловливает их более высокие эксплуатационные характеристики при малых габаритных размерах. А.И. Тимченко [112] показал, что указанные соединения в не-

сколько раз долговечнее, чем шлицевые, обладают меньшими шумовыми характеристиками и металлоемкостью. Кроме указанного вида соединения, существует построенный на базе правильного треугольника, стороны которого образованы радиусами, определяемыми как сторона правильного треугольника. Данный вид профиля более прост в построении и контроле при производстве, а также обладает свойством равноконтурности.

Таким образом, исходя из вышесказанного, видим, что сложности изготовления профильных соединений связаны, в первую очередь, с большим числом возможных вариантов исполнений данного вида соединений, с технологическими особенностями обработки такого типа соединений, к тому же, в работах [33, 34, 35, 41, 46, 47, 105, 116, 117, 119], и др., рассматривалась возможность получения элементов профильных соединений на универсальных станках с модернизацией и дополнением различными кинематическими схемами, которые за счет своей сложности могут приводить к снижению виброустойчивости и точности за счет накопленной погрешности рассогласования различных частей механизмов-построителей.

Одним из путей решения данной проблемы является применение для изготовления наружных и внутренних частей профильных соединений недорогого обкаточного станкоинструментального оборудования в технологических системах, как наиболее приемлемого в условиях отечественного машиностроения. Основным элементом таких систем может быть долбежный инструмент. Кроме того существенно выделяет этот способ возможность применения широко распространенного в условиях серийного и мелкосерийного производства, для обработки элементов деталей зубчатых соединений, недорогого долбежного оборудования без необходимости закупки дорогостоящих станков с ЧПУ.

Долбежный инструмент имеет ряд эксплуатационных преимуществ по сравнению с другими металлообрабатывающими инструментами. Например, долбяк для большинства деталей является финишным инструментом, т.е. помимо послойного снятия технологического припуска, он задает окончатель-

ную форму и размеры обрабатываемой детали. Долбежный инструмент может быть использован в тех областях обработки, где другими типами инструмента осуществить обработку невозможно, либо менее рационально, в том числе исходя из себестоимости операции. К таким типам обработки относится обработка внутренних поверхностей, поверхностей имеющих бурт, либо обработка «в упор». В работах российских ученых: М.И. Юликова [128], В.М. Матюшина [56], Н.И. Жигалко и В.В. Киселева [42], В.А. Аршинова и Г.А. Алексеева [9], И.И. Семенченко [98, 99], достаточно глубоко рассмотрены аспекты получения точных параметров долбежного инструмента, в частности связанных с обработкой профильных соединений. Однако, несмотря на широкое применение долбежного инструмента, и исследованность теоретических положений по изготовлению, все еще остается актуальной задача проектирования инструмента и уменьшения погрешности производящего контура его режущей кромки. Кроме того, углы заточки долбяка оказывают существенное влияние не только на качество обработанной поверхности и геометрию обрабатываемой детали, но и на возможность точно определить ту погрешность, пределы которой необходимо обеспечить в случае, если при переточке изменить передний угол для улучшения режущих свойств инструмента, в зависимости от физико-химических свойств материала обрабатываемой детали.

Доказано, что такие инструменты, как долбяки, резцы для зуботочения, ряд фрез определенной установки, имеют целевую подачу по образующей поверхности детали, выполняемую как качение или качение со скольжением, т.е. являются обкаточными и, следовательно, их проектирование должно вестись по принципам обкаточных, что позволит повысить точностные характеристики и более полно использовать потенциал инструмента [24,124].

Применительно к долбежному инструменту, основная сложность его проектирования обусловлена тем, что какие-либо вносимые изменения в конструкцию приводят к необходимости серьезных пересчетов припусков на переточку и возможности работы таким инструментом. К тому же долбежный

инструмент в классическом понимании большинства учебных пособий рассматривается как инструмент для обработки элементов зубчатых соединений, либо шпоночных пазов, не принимая во внимание возможность обработки иных контуров деталей, в том числе, построенных на принципе повторяющихся элементов, к которым и относятся детали профильных соединений.

Для аналитического решения любой обкаточной задачи построения рабочего контура инструмента требуется высокая квалификация исполнителя ввиду большого многообразия различных форм описания исходного профиля, методов профилирования и многообразием обкаточных задач. Таким образом, выполнение такой задачи как профилирование является довольно трудоемкой операцией. Ввиду этого, предлагается осуществлять расчеты в автоматизированной системе, на примере САПР для ЭВМ [94].

Технологическое обеспечение производства профильных соединений необходимо рассматривать в комплексе с контрольно-измерительным инструментом. Контроль возможно осуществлять с использованием инструмента, из�