автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка и освоение технологического процесса и станов поперечной горячей прокатки крупных червячных валов с буртами

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ПРОКАТКИ ЧЕРВЯЧНЫХ ВАЛОВ

С БУРТАМИ В ГОРЯЧЕМ СОСТОЯНИИ.

1.1. Состояние вопроса и постановка задачи

1.2. Разработка схемы прокатки.

1.3. Расчет и калибровка валков с винтовым профилем при поперечной прокатке с возможным осевым перемещением детали.

I.3.I*. Калибровка валков.

1.4. Выбор технологических режимов прокатки.

1.4.1. Технологическая смазка.

1.4.2. Нагрев заготовок под прокатку

1.5. Размеры и форма заготовок под прокатку. . 53 Выводы.

ГЛАВА П. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОПЕРЕЧНОЙ

ПРОКАТКИ КЕШНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ВАЛОВ.

2.1. Общие положение.

2.2. Ширина зоны контакта валка и детали в перпендикулярном к осям их вращения плоском сечении.

2.3. Элементарная площадка контакта.

2.4. Нормальные силы и их проекции на оси координат, моменты нормальных сил относительно осей валка и детали

2.5. Определение давления металла на валки и крутящих моментов.

2.5.1. Сила, действующая на винтовую поверхность валка в радиальном направлении.

2.5.2. Кинематика процесса формообразования профиля.

2.5.3. Радиальная составляющая силы трения.

2.6. Силы трения на контактной поверхности. Моменты сил трения относительно осей валка и детали.

2.7. Равновесие моментов сил, действующих на деталь.

2.8. Момент прокатки.

Выводы

ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРОКАТАННЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ

ВАЛОВ.

3.1. К вопросу об изгибе червячных валов при поперечной реверсивной прокатке

3.2. Влияние погрешностей изготовления валков на точность прокатываемых изделий

3.3. Пути повышения качества прокатанных червячных валов

Выводы.

ГЛАВА 1У. ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПОПЕРЕЧНОЙ РЕВЕРСИВНОЙ ПРОКАТКИ

ЧЕРВЯЧНЫХ ВАЛОВ.

4.1. Экспериментальные исследования усилия металла на валки, момента прокатки и расхода энергии

Выводы.

ГЛАВА У. ОСВОЕНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ПЕРВЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ

СТАНОВ да ПРОКАТКИ ЧЕРВЯЧНЫХ ВАЛОВ.

5.1. Стан 31114-25 для горячей прокатки червячных валов с модулем 3 * 5 мм.

5.2. Стан ЗГПЧ-35 для горячей прокатки червячных валов с модулем 5 * 8 мм.

5.3. Перспективы процесса и рекомендации по проектированию промышленных станов

ОСНОВНЫЕ ВЬЮОДЫ.

Создание материально-технической базы коммунизма - главная U задача партии и советского народа, для решения которой первостепенное знание имеет развитие и техническое перевооружение всех отраслей народного хозяйства и,в первую очередь, машиностроения.

Среди главных задач, выдвинутых ХХУ1 съездом КПСС перед промышленностью, важное место занимает создание новых прогрессивных технологических процессов, позволяющих получать заготовки сложной форш, близкие по размерам к готовой детали. Предполагается изготовлять и внедрять на машиностроительных предприятиях деталепро-катные станы, позволяющие использовать металлопрокат с минимальными отходами [i] .

Известно, что удельный расход черных металлов в машиностроении СССР очень высок. Около 10 млн. т. стружки в год образуется при металлообработке [2J . Если же учесть, что далеко не вся стружка снова превращается в металл, то становится очевидным, что резервы экономии металла при использовании прогрессивных методов обработки очень велики. Сокращение только наполовину потерь и отходов в металлообработке было бы равноценно Ю-процент-ному увеличению производства готового проката черных металлов [з].

Тысячи тонн высоколегированной стали расходуется и на режущий инструмент, причем, доля затрат на материалы в себестоимости изготовления режущего инструмента непрерывно растет [4 J . Применение высокопроизводительных прогрессивных технологических процессов, основанных на прокатке, обеспечивает не только высокий коэффициент использования металла, но и улучшает эксплуатационные качества получаемых изделий, повышая их механические свойства. Технологические процессы с применением прокатки легко поддаются автоматизации, а также позволяют уменьшить удельный вес механической обработки , а в ряде случаев полностью ее исключить.

Прокатка винтовых поверхностей - один из наиболее производительных способов изготовления резьб на деталях крепления, червячных валов, ходовых винтов, ребристых труб, роторных винтов и т.д. Например, при прокатке витой буровой стали на стане конструкции ВНИИМЕТМАШ скорость выхода изделия из валков составляет 8 погонных метров в минуту, а при прокатке ребристых труб скорость выхода готовой трубы из валков составляет до 10 пог.м/мин [б] .

При прокатке волокна металла не перерезаются, а ориентируются по профилю винтовой поверхности, благодаря чему улучшаются физикомеханические свойства поверхностного слоя. В результате поверхностного упрочения твердость увеличивается в 1,4 - 1,5 раза, а усталостная прочность резьбы повышается более, чем в 2 раза [б] . Чистота винтовой поверхности после холодной прокатки выше чистоты шлифованной винтовой поверхности.

Несмотря на очевидные преимущества новых технологических процессов с применением прокатки, они все еще недостаточно широко используются в отечественной промышленности. Например, до выполнения настоящей работы не было технологического процесса, позволяющего прокатывать червячные валы с буртами, используемые в редукторах общего назначения. Червячные редукторы широко используются в автомобилях, станках и т.д. Их производство значительно отстает от потребностей отечественного машиностроения. Одной из основных причин, препятствующих расширению производства червячных редукторов, является очень низкая производительность формообразования профиля червяка. Изготовление профиля червяка резанием связано с большим расходом режущего инструмента и низким коэффициентом использования металла.

Таким образом, разработка более современной технологии изготовления червячных валов, основанной на использовании операции пластической деформации при формообразовании профиля, является весьма актуальной задачей.

Еабош по созданию новой, прогрессивной технологии и специализированного оборудования для серийного производства крупных червячных валов редукторов проводились во ВНЖМЕШАше с 1963 г. при участии автора, ее результаты легли в основу настоящей диссертации.

Целью настоящей работы является создание высокопроизводительного процесса и оборудования для прокатки крупномодульных червячных валов нормализованных редукторов с припуском под шлифовку, вместо операции механической обработки зубьев на станках.

Новыми элементами выполненной работы, которые выносятся на защиту, являются:

- разработанная технология прокатки изделий с короткими винтовыми участками;

- создание методики калибровки специальных валков для прокатки крупномодульных червячных валов;

- определение кинематических условий зацепления в зоне контакта инструмента и заготовки;

- создание методики определения ширины зоны контакта, катающего радиуса детали, давления и момента прокатки, учитывающей выполнение деформирующих элементов инструмента по винтовым поверхностям;

- определение рациональных технологических режимов процесса прокатки;

- разработанные при активном творческом участии автора во ВНШШШАШе технология и станы для горячей поперечно-реверсивной прокатки крупномодульных червячных валов.

В результате выполнения работы впервые в отечественной и зарубежной практике освоено производство крупномодульных червячных валов нормализованных редукторов с применением горячей прокатки их винтового профиля вместо черновой обработки фрезерованием или резанием.

Приведенные в диссертации разработки внедрены в производство на Ленинградском заводе "Редуктор" - 2 стана и на Барышс-ком редукторном заводе - I стан. Кроме того, они использованы при создании стана прокатки червячных валов для Можгинского завода "Машдеталь".

Суммарный годовой эффект в народном хозяйстве составил около 500 тысяч рублей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненной работы предложен и разработан способ и создано оборудование для поперечной реверсивной прокатки червячных валов с буртами редукторов общего назначения. Способ характеризуется одновременным сведением 3-х профильных валков с параллельно расположенными осями на нагретую ТВЧ заготовку при ее управляемом осевом перемещении. Способ и конструкция инструмента защищены тремя авторскими свидетельствами.

2. Разработана методика и даны зависимости для определения наружного диаметра валков и максимальной величины осевого перемещения заготовки. Получено аналитическое выражение для скорости осевого перемещения заготовки, представляющее собой уравнение кинематической связи валка и детали. На основе этих зависимостей были спроектированы, изготовлены и опробованы в промышленных условиях шестнадцать типоразмеров валков для прокатки червячных валов с модулем 3 * 8 мм и числом заходов 1+4.

3. Предложен принцип калибровки валков для поперечной прокатки крупных червячных валов. Установлено, что при возможном осевом перемещении детали, сопряженный профиль валка не зависит от катающего радиуса, а зависит только от геометрии детали, кратности прокатки и межосевого расстояния.

4. В процессе экспериментальных исследований отработаны технологические режимы прокатки червячных валов на промышленных станах конструкции ВНИИМЕТМАШ:

- скорость прокатки - 20 об/мин

- единичное обжатие - 0,8 мм

- температура прокатки - П00°С

- время нагрева заготовки в зависимости от размеров -11 + 25 сек.

Необходимыми условиями являются:

- технологическая смазка (графито-содовая);

- охлаждение инструмента водой после каждого цикла прокатки;

- первоначальное базирование заготовки относительно инструмента (осуществлялось с помощью электромагнитного упора);

- поле рассеивания температуры заготовок не должно превышать - 20°.

5. Исследовано влияние параметров режима прокатки на качество червячного вала. Установлено, что при условии кратковременного нагрева заготовки и значительной деформации с последующим быстрым охлаждением, происходит термоупрочнение металла по всему прокатываемому профилю.

6. В результате аналитического исследования процесса поперечной прокатки червячного профиля предложена уточненная методика определения размеров ширины зоны контакта винтовых поверхностей валка и детали, при этом (в отличие от известных работ) учтены углы подъема винтовых линий на этих поверхностях. В частном случае, когда винтовые поверхности переходят в конические (угол подъема равен нулю), выведенная формула полностью совпадает с известной формулой А.И.Целикова, выведенной для цилиндрических или конических поверхностей.

7. Предложена модель процесса течения металла в калибрах валков. На основании анализа этой модели получены аналитические зависимости для определения скорости скольжения частиц металла по образующей винтовой поверхности валка.

8. Построены эпюры модулей сил трения, возникающих на контактирующих поверхностях. Проекция силы трения в тангенциальном направлении и вдоль образующей есть величина, меняющаяся как по величине, так и по направлению и зависит от характера течения металла и местоположения рассматриваемой точки.

9. В результате проведенных экспериментальных работ по исследованию и анализу факторов, влияющих на искривление червячных валов во время прокатки, установлено, что изгиб вызывается наличием пульсирующего изгибающего момента, который является следствием ряда причин, присущих поперечно-реверсивной прокатке. Для повышения эффективности прокатки, предложен новый инструмент, защищенный авторским свидетельством, устраняющий изгиб в процессе прокатки.

10. Разработана технология совмещения процесса прокатки червячных валов с их термообработкой. Установлен характер изменения температурного полн заготовки во времени; определен оптимальный режим нагрева заготовки под прокатку и подогрева ее под закалку; полученные данные позволяют определить оптимальный режим закалки прокатанных заготовок.

11. Проведен теоретический анализ процесса поперечной прокатки в винтовых калибрах, на основе которого представлена схема расположения сил нормального давления и сил трения, действующих на элементарную площадку контакта. Выведены аналитические выражения для катающего радиуса детали, для предельного радиального обжатия, для давления и момента прокатки, в которых учтены углы подъема винтовых линий калибров валков.

12. Экспериментально определены силовые параметры процесса поперечной прокатки червячных валов. Построены графики этих параметров в зависимости от модуля и числа заходов прокатываемого червячного вала. Давление металла на валки при прокатке червячных валов с модулем 3 + 8 мм составляет от

12 * 30 тонн. Момент на приводном шпинделе от 150 до 500 кгм. Момент на шпинделе радиального сведения валков от 5 до 20 кгм. Полученные данные могут быть использованы для проектирования аналогичных станов.

13. Результаты проведенных исследовании и разработок были использованы при проектировании промышленных станов: а) трехвалкового стана для прокатки червячных валов с модулем 3 -г- 5 мм ЗГПЧ-25; б) трехвалкового стана для прокатки червячных валов с модулем 5 * 8 мм ЗГПЧ-35; в) трехвалкового стана для прокатки червячных валов с модулем 2 * 4 мм ЗГПЧ-20.

При внедрении 2-х станов для прокатки червячных валов на Ленинградском заводе "Редуктор" и одного стана на Барышском редукторном заводе суммарный годовой эффект в народном хозяйстве составил около 500 тысяч рублей.

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М., Политиздат, 1981 г.

2. К.У.Черненко. Речь на встрече с рабочими московского металлургического завода "Серп и Молот" 29.04.1984 г.

3. НИИИНФОШТЖМАШ. Станы для прокатки точных заготовок машиностроительных деталей. Выпуск 18-3271, Москва,1972 г.

4. З.Г.Магазинер. Вопросы развития отечественного инструментального производства. ЦБ ТИ, 1962 г.

5. НИИИНФОРМТЯЖМАШ. Реферативный сборник. Выпуск I-75-I5, Москва, 1975 г.

6. А.И.Целиков. Пути экономии металла. Машиностроение, 1974 г.

7. В.Г.Дейненко. Новые способы накатывания резьб и других профилей. М., Машгиз, 1961 г.

8. М.Е.Кацнельсон. Накатывание резьбы на универсальных станках. М., ВИНИТИ, 1956 г.

9. М.И.Писаревский. Новый инструмент для накатывания резьб и шлицев. Машиностроение, 1966 г.

10. В.В.Лапин. Накатывание длинной резьбы двумя роликами с параллельными осями. Передовой научно-технический и производственный опыт. № 5-63-138/19. М., ГОСИНТИ, 1963 г.

11. М.В.Барбарич, Ф.П.Кирпичников, Новые методы поперечной и поперечно-винтовой прокатки металлов. Ф-ал ВНИИТМ, АН СССР, 1957 г.

12. Ф.П.Кирпичников, Расчет роликов для накатывания резьбы при осевой подаче заготовки. "Станки и инструмент",I960 12.

13. В.И.Загурский, Прогрессивные способы обработки резьбы. Москва-Свердловск, Машгиз, I960 г.

14. В,В,Самсонов, Исследование процесса холодного накатывания червячных профилей. Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук. Л., 1976 г.

15. Т.А.Султанов, П.Н.Комаров, Накатывание крупных резьб резьбо-накатными головками. "Станки и инструмент", 1964 г. № 7.

16. А.И.Целиков, М.В.Барбарич, М.В.Васильчиков, С.П.Грановский, Е.А.Жукевич-Стоша, Специальные прокатные станы. Металлургия, Москва, 197I г.

17. Ф.П.Кирпичников, Разработка и исследование новых технологических процессов поперечно-винтовой прокатки крупных резьб и ребристых труб. Кандидатская диссертация, 1959 г.

18. М.В.Васильчиков, Разработка, исследование и применение в производстве новых процессов прокатки некоторых заготовок и деталей машиностроения. Докторская диссертация, 1973 г.

19. М.М.Волков, Разработка, исследование и внедрение поперечно-винтовой прокатки крупных резьб и заготовок червячных фрез. Кандидатская диссертация, 1963 г.

20. М.В.Васильчиков, М.В.Барбарич, Ф. П. Кирпичников, Накаткарезьб на винтах домкратов. Автотракторная промышленность,J\III, I956i

21. М.В.Васильчиков, Ф. П.Кирпичников, М.В.Барбарич, Накатка длинных резьб с крупным шагом. ИТЭИН № Т56-463/22, 1956 г.

22. М.В.Васильчиков, М,М.Волков, Б.А.Мейлер, Новая технология изготовления заготовок червячных модульных фрез. Станки и инструмент, № 4, 1959 г.

23. М.В.Васильчиков, Прокатка заготовок червячных фрез. Передовой научно-технический и производственный опыт. M-59-292/I3,1959г.

24. М.В.Васильчиков, М.М.Волков, Б.А.Мейлер, Способ изготовления червячно-модульных фрез. Авторское свидетельство Jfc 12208, 26.02.1958 г. (бюллетень изобретений й 16, 1959 г.).

25. М.В.Васильчиков, Ф.П.Кирпичников, М.М.Волков, Способ изготовления штанги винтовой крепи путем поперечно-винтовой прокатки. Авторское свидет. 16857, 20.12.1962 г. Бюллет.изобр.М, I965i

26. А.И.Целиков, М.В.Васильчиков, Ф.П.Кирпичников, Способ производства витой буровой стали. Авторское свидет. й 214507, 16.07.1968 г. Бюллетень изобретений № 12, 1968 г.

27. М.В.Васильчиков, М.М.Волков, Накатывание резьб на полых заготовках. Кузнечно-штамповочное производство. JS II, I960 г.

28. М.В.Васильчиков, М.М.Волков, Ф.П.Кирпичников, Накатывание крупных резьб. ИТЭИН, JS H-57-3I7/I3, 1957 г.

29. М.В.Васильчиков, М.М.Волков, Поперечно-винтовая прокатка изделий с винтовой поверхностью. Издательство "Машиностроение", Москва, 1968 г.

30. В.С.Смирнов, В,П,Анисифоров, М.В.Васильчиков, и др. Поперечная прокатка в машиностроении. М.-Л., Машгиз, 1957 г.

31. М.М.Волков, И.А.Коротков, II.М.Глух, Разработка техпроцесса прокатки и механической обработки роторов по чертежам 01-20 и 01-21. Отчет о работе по теме 69.1.19.654-12, ВНИШЕТМАШ, М., 197I г.

32. М.М.Волков, И.А.Коротков, П.Г.Клинков, Изыскание возможности применения процесса поперечно-винтовой прокатки в комплексном технологическом процессе изготовления винтов качения. Отчето работе по теме 1У-27-66-1, ВНИИМЕТМАШ, М., 1966 г.

33. И.М.Шиф, Исследование некоторых вопросов процесса накатывания резьбы роликами. Кандидатская диссертация, 1949 г.

34. A/dsez W, MeLchsnez Н. Techno£o<^Le des (jewihde wa£zen$. Leipzig, FechSuch vezgag, i9SS.37 • LecKLe-E\Nihf> Pete г. How to zeofuce fqieuze of ihzeed zoning, dies „ Sieee; 19BZ.

35. Т.А.Султанов, Основы теории и проектирования резьбонакат-ных инструментов. Докторская диссертация, Москва, 1976 г.

36. Ю.Л.Фрумин, Высокопроизводительный резьбообразутощий инструмент. М., Машгиз, 1963 г.

37. В.Н.Хохудин, Нарезание и накатывание резьбы в отверстиях корпусных деталей. Инфорлационно-технический листок. ЛДНТП, 1958 г., В 13.

38. М.И.Писаревский, Современные методы накатывания резьб и профилей. Стенограмма лекций. ЛДНТП, 1958 г.

39. М.И.Писаревский, Накатывание точных резьб и шлицев. М-Л., Машгиз, 1970 г.

40. А.И.Целиков, Теория расчета усилий в прокатных станах. Металлургиздат, 1962 г.

41. Н.С.Победин, Поперечная прокатка в винтовых калибрах. Кандидатская диссертация, 1951 г.

42. В,С.Смирнов, Поперечная прокатка. Машгиз, 1948 г.

43. В.П.Северденко, Л.И.Федоров, Прокатка в машиностроении. Изд-во АН БССР, Минск, 1959 г.

44. П.К.Тетерин, Теория поперечно-винтовой прокатки.Москва,197I г.

45. Ф.П.Кирпичников, Расчет валков для поперечно-винтовой прокатки крупных резьб и ребристых труб в кольцевых и винтовых калибрах. Труды ВШШЕШАШ, Сб. № 14, 1964 г.

46. М.В.Васильчиков, В.Ф.Муконин, Основные принципы проектирования инструмента для прокатки изделий сложной формы. Труды

47. ВНИИМЕТМАШ. Сб. В 37, 1974 г.

48. М.В.Васильчиков, М.М.Гутенмахер, Определение профиля валка при поперечно-винтовой прокатке винтовых изделий. Труды ВНИММЕТМАШ, Сб. № 37, 1974 г.

49. Ф.Л.Литвин, Теория зубчатых зацеплений, М., Наука, 1968 г.

50. М.М.Волков, II.М.Глух, И.А.Коротков, Освоение и исследование процесса прокатки роторных валов. Труды ВНИИМЕТМАШ, Сб. В 40, 1975 г.

51. М.М.Волков, И.А.Коротков, Прокатка червячных валов с модулем 3+8 мм. Труды ВНИММЕТМАШ, Сб. В 40, 1975 г.

52. М.М.Волков, Е.А.Фирсов, Освоение и исследование процесса прокатки винтов качения. Труды ВНИИМЕТМАШ, Сб. В 40, 1975 г.

53. М.М.Волков, И.А.Коротков, Отработка процесса горячей прокатки многозаходных червяков с модулем 3, 5, 6 и 8 мм и изготовление валков. Отчет о работе по теме 2036. ВНИИМЕТМАШ,М.,1967.

54. Ф.П.Кирпичников, Расчет усилий, моментов, катающего диаметра и предельных обжатий при поперечной прокатке в трапецеидальных калибрах. Труды ВНИИМЕТМАШ, Сб. В 25, 1969 г.

55. А.И.Целиков, Прокатные станы. М., Металлургиздат, 1946 г.

56. А.Д.Томленов, Теория пластической деформации металлов. Машгиз., 1951 г.

57. А.Д.Кузьмин, Исследование процесса прокатки цилиндрических зубчатых колес. Машгиз, 1951 г.

58. В.В.Лапин, Исследование процесса холодного формообразования червяков и крупных резьб на гидравлических станках. Кандидат»ская диссертация. ЛПИ им. Калинина, 1965 г.

59. И.А.Коротков, М.М.Волков, Разработка технологии горячей прокатки и внедрение в промышленность процесса прокатки червячных валов с модулем 5,6и8мм Е = 2. Отчет о работе 3986. ВНИИМЕТМАШ, М., 1975 г.

60. И.К.Суворов, Обработка металлов давлением. М., Высшая школа, 1980 г.

61. М.М.Волков, И.А.Коротков, Освоение процесса прокатки винтовой поверхности червячных валов с модулем 5, 6 и 8 мм на заводе "Редуктор". Отчет о работе 2476. ВНИИМЕТМАШ, М., 1969 г.

62. В.М.Кован, Основы технологии машиностроения, Машгиз, 1959 г.

63. М.М.Волков, И.А.Коротков, Шефмонтаж и наладка стана для прокатки червяков на Ленинградском заводе "Редуктор". Отчет о работе 1830, ВНИИМЕТМАШ, М., 1966 г.

64. М.М.Волков, И.А.Коротков, Отработка режимов и исследование процесса поперечной прокатки червяков с модулем 3, 5, 6 и 8мм. Отчет о работе 2276, ВНИИМЕТМАШ, М., 1968 г.

65. И.А.Коротков, Разработка технологии горячей прокатки профилей червячных валов для редукторов типа 4-100, 4-125, 4-160. Отчет о работе 4181, ЕНИИМЕШАШ, М., 1976 г.