автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и внедрение высокопроизводительных технологических процессов, инструментов и оборудования для изготовления резьб пластическим деформированием и резанием в машиностроении

sJj ^jFjfU^J

Открытое Акционерное московское общество "З^вод имени И.А. Лихачева" (AMO ЗИЛ)

Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ОАО "ЭНИМС")

...... ......................................На правах рукописи

у.: . ' ч роС'

ЯКУХИН Виктор Григорьевич

. . . .,.. ... ■ . •' УДК 621.99.

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТ Е Л Ь Н Ы X Т Е X НОЛ О ГСПШЖ Й Х ПРО Ц Е С С О В, ИНСТРУМЕНТОВ И ОБ®§¥да#Ми№ для ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗЬБ ПЛАСТИЧЕСКИМ 'ДЕ ФОРМИРОВАНИЕМ И РЕЗАНИЕМ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Специальность 05.02.08, - Технология машиностроения

т/ ■

ДИССЕРТАШ1 в виде научного до* лад^Ь^сгискание ученой сте^|й|и Д^кадра технических наук

Москва*1999

А// ./ ¡

Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков . (ОАО "ЭНИМС") '

• ' *■■ / ■ На правах рукописи

, . ЯКУХИН Виктор Григорьевич

УДК 621.99.

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ИНСТРУМЕНТОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗЬБ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ И РЕЗАНИЕМ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Специальность 05.02.08. - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1999

Открытое акционерное московское общество "Завод имени И.А. Лихачева" (AMO ЗИЛ)

Работа выполнена в лаборатории резьбовых работ Технологического управления Открытого Акционерного московского общества "Завод имени И.А. Лихр^^'ЦАМО ЗИЛ).

rOCV/ <*' ~

Официальные оппоненты:

академик AT РФ, доктор технических наук, профессор'Таратынов О.В. член-корреспондент АТН Р.Ф.,

доктор технических наук, профессор Смоленцев В.М. доктор технических наук, профессор Гречишников В.А.

Ведущее предприятие ОАО НИИТавтопром.

Защита состоится "<?У" апреля 1999г. в 10 00 на заседании специализированного совета Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков по адресу: 117926, г. Москва, 5-й Донской проезд, дом 216.

С диссертацией в виде научного доклада в можно ознакомиться в библиотеке ОАО "ЭНИМС".

Ваши отзывы на диссертацию в виде научного доклада в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу.

Диссертация в виде научного доклада разослана ' марта 1999 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

В.М. Гришин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известно, что резьба является основным крепежным элементом, она имеется у половины деталей машин и широко применяется во всех отраслях машиностроения. От качества резьбы и уровня технологии ее изготовления во многом зависит надежность машин, их себестоимость и конкурентоспособность. Однако на производстве часто встречаются трудности, вызванные неудовлетворительным качеством резьбы, недостаточной производительностью и низкой стойкостью инструмента. Например в автомобилестроении резьбовые операции относят к наиболее проблемным. В связи с этим эффективное разрешение многочисленных задач в резьбо-обработке имеет важное народнохозяйственное значение и относится к актуальной проблеме.

Сложность решения проблемы резьбообработки объясняется большим числом конкурирующих между собой методов получения резьбы, пересекающейся областью их рационального применения, а также отсутствием объективных критериев оценки существующих методоз обработки резьб.

В этих условиях все более актуальными становятся задачи систематизации, анализа и рассмотрения известных методов обработки резьб с единых позиций, выполнения теоретических и экспериментальных исследований на "узких" технологических направлениях и создании методики выбора рациональных методов обработки резьб для различных условий производства.

Цель работы - повысить производительность, качество, точность и. снизить себестоимость обработки на операциях изготовления резьб пластическим деформированием и резанием в машиностроении.

Методика исследований. Результаты работы получены на основании теоретических, экспериментальных и производственных исследований. Используются научные положения технологии машиностроения, теории резания металлов, теории трения и обработки металлов давлением.

Экспериментальная часть работы выполнялась в ла-

боратории резьбовых работ Технологического управления AMO ЗИЛ с использованием универсальных приборов для Замера радиальных и осевых сил, крутящего момента и мощности при накатывании резьб, а также современных контрольно-измерительных средств для измерения параметров резьбы деталей и инструментов.

Производственные испытания проводились на современном автоматическом оборудовании в механообрабаты-вагощих цехах головного завода AMO ЗИЛ, на 15 его филиалах и на ряде предприятий других отраслей машиностроения, которым оказывалась техническая помощь.

При обработке результатов исследований применялись методы математического и статистического анализа.

Теоретические расчеты выполнялись на ЭВМ.

Научная новизна - впервые на основании обобщения и анализа мирового опыта и выполненных исследований разработаны основные положения технологии изготовления резьб, содержащие в себе множество технологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в машиностроении.

Наиболее важными аспектами научной новизны являются:

1. Разработка конструкторско-технологической классификации резьб и технологических характеристик промышленных методов обработки наружных и внутренних резьб, позволяющих учесть уровень состояния современной и перспективной технологии изготовления резьб.

2. Разработка моделей, позволивших впервые рассмотреть с единой позиции все известные процессы поверхностного пластического деформирования (ППД) при изготовлении резьбы: деформирования, накатывания и выдавливания, и обосновать рациональную область применения каждого процесса.

3. Изучение механизма взаимодействия деформирующего и накатного инструмента с заготовкой, характеризующегося образованием опережающих пластических волн металла, форма и направление течения которых влияют на силы при обработке и на стойкость инструмента.

4. Дальнейшее развитие теории сопротивления ме-

таллов пластическим деформациям Смирнова-Аляева Г.А. применительно к установлению зависимостей сил от технологических факторов для различных методов деформирования и накатывания резьб с определением коэффициентов контактного трения, напряжений текучести материала, контурных площадей контакта инструментов с заготовкой, -а также коэффициентов, учитывающих влияние на силы конкретного метода обработки.

5. Впервые выявлены особенности технологии изготовления резьб с точным взаимным расположением поверхностей (ВРП) с оценкой методов обработки по критерию сохранения и исправления погрешностей ВРП, имеющихся в заготовке: это позволило разработать ряд устройств для обеспечения точного ВРП.

6. Разработка на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований 5 технологических схем накатывания резьб осевыми головками, принятыми за основу при создгнии прогрессивных конструкций станков, оснастки и инструмента.

7. Впервые на основе обобщения и анализа мирового опыта и выполненных исследований создана методика выбора оптимального метода обработки резьб, позволяющая в 5-10 раз сократить трудоемкость проектирования технологических операций обработки резьб, а также повысить качество проектирования.

Практическая ценность работы заключается:

1) во внедрении методики выбора рациональных методов обработки резьб для различных условий производства;

2) в расширении технологических возможностей процессов обработки резьб пластическим деформированием и резанием;

3) в создании и внедрении эффективных технологий, в том числе обеспечивающих заданную точность взаимного расположения резьбовых поверхностей;

4) в разработке и внедрении технологии изготовления резьбонакатного инструмента, обеспечившей повышение его стойкости в 3-5 раз.

Внедрение результатов работы на AMO ЗИЛ и его

филиалах позволило отказаться от закупки дорогостоящего резьбообрабатывающего оборудования и оснастки и только за счет этого получить экономию два миллиона долларов.

Реализация результатов работы. Результаты работы в настоящее время реализованы в сотнях резьбообрабаты-вающих операций и внедрены на заводе им. И.А. Лихачева, а также на 30 других отечественных предприятиях различных отраслей промышленности. Полученные результаты включены в общемашиностроительные справочники, которые используются в производстве и учебных процессах многих технических ВУЗов и колледжей России и СНГ.

Апробация работы. В период с 1966 по 1998 годы результаты работы доложены на 40 научно-технических симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе на первой, второй и третьей Всесоюзных конференциях по резьбам. За выполненные разработки автор отмечен 3-мя дипломами лауреата конкурсов НТТМ: Московского и двух Всесоюзных, 10-ю медалями ВДНХ, премией Правительства Российской Федерации за 1995 год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 93 труда, в том числе монография, 2 справочника, 4 учебно-методических пособия, 51 научная статья и 34 авторских свидетельства на изобретения.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты плановых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ЗИЛа, выполненных автором в период 1966-1998 гг. в созданной и постоянно руководимой им лаборатории резьбовых работ Технологического управления ЗИЛа. Автору принадлежит выбор направления исследований, постановка конкретных задач, разработка методик испытаний, непосредственная организация и выполнение работ до получения положительных результатов вплоть до их внедрения в производство, обеспечение защиты приоритета ЗИЛа в проводимом технологическом направлении за счет широких публикаций в пе-

чати, выступлений с докладами на научных конференциях, получения 34 изобретений и 25 медалей ВДНХ всех достоинств.

Доля творческого участия автора в работе составляет 70%.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

Несмотря на значительные достижения отечественного машиностроительного производства и основополагающие работы отечественных ученых - Фрумина Ю.Л., Султанова Т.А., Ямникова A.C., Мирнова И.Я., Воронова В.Н., Хостикоева М.З., Садова В.А., Кузьменко А.Ф., и многих других, работающих по технологии изготовления резьб,' общий технический уровень их получения в настоящее время не отвечает современным требованиям. Часто используются малопроизводительные технологические процессы, оборудование оснастка и инструмент. Велика доля применения импортного оборудования, оснастки и инструмента. В литературе отсутствует обобщение и анализ мирового опыта по технологии изготовления резьб, не уделено должного внимания проработке актуальных вопросов гибкости операций обработки резьб в особенности применительно к методам ППД резьб, что не позволяет полноценно использозать их в условиях современного серийного производства.

Нет обоснованной методики по выбору технологии получения резьб в зависимости от различных условий производства.

Анализ научных работ показал также, что процессы нарезания резьб до сих пор остаются доминирующими, а более прогрессивными и еще недостаточно изученными считаются процессы пластического формообразования резьб, которым последние 30 лет посвящена основная часть изобретений и проводимых в мире исследований.

В исследованиях процессов ППД резьб значительное место занимают вопросы изучения силовых зависимостей. При этом известны два метода силовых исследований:

метод линий скольжения, являвшийся в 40-70-е годы монопольным и метод сопротивления материалов пластическим деформациям, предложенный позднее Смирновым--Аляевым Г.А.

При первом методе - линий скольжения принимают упрощающее допущение, рассматривая процесс деформации металла как внедрение плоского пуансона в конечный момент формообразования профиля резьбы. При этом решение задачи заключается в построении сложной эпюры касательных напряжений, которое требует опытности и интуиции исследователя, и в последующем непростом подборе необходимых алгебраических зависимостей для выражения этой эпюры. Из-за этого имела место противоречивость зависимостей у различных ученых.

Второй метод - Смирнова-Аляева Г.А. выгодно отличается тем, что он позволяет рассматривать процесс накатывания резьб как реальный объемный процесс ППД, в котором деформирующее усилие определяется в зависимости от величины реальных площадей контакта инструмента с заготовкой, величины истинных напряжений коэффициента контактного трения, имеющих место в материале заготовки на конечной стадии каждого конкретного процесса.

Особенностью этого метода являются реальные возможности широкого использования имеющихся экспериментальных данных. Этот метод перспективен, нагляден, поэтому он и был взят за оснозу и получил дальнейшее развитие в данной работе.

Анализ результатов работ наиболее авторитетных ученых показал и на насущную необходимость уточнения коэффициентов трения и площадей контакта инструмента с заготовкой, определения истинных напряжений текучести, а также коэффициентов, учитывающих влияние конкретного метода обработки.

В связи с этим достижение поставленной в диссертации цели возможно при решении следующих задач: 1. Проведение систематизации и обобщения имеющейся в мире информации по конструкциям и технологиям изготовления резьб с выявлением наиболее перспективных процессов обработки.

2. Углубленные теоретические и экспериментальные исследования перспективных процессов пластического формообразования резьб с целью выявления эффективных технологических решений для различных условий производства.

3. Разработка и внедрение эффективных технологических процессов обработки резьб пластическим деформированием и нарезанием головками и метчиками.

4. Разработка и внедрение методики выбора рациональной технологии изготовления резьбы в различных производственных условиях.

2. Систематизация конструкций резьб и технологии их изготовления

Под углом решения технологических задач все имеющиеся конструкции резьб нами предложено разделять на 3 группы, исходя из служебного назначения:

1. Общемашиностроительная крепежная цилиндрическая резьба:

а) с углом профиля 60 градусов (рис. 1а) 2-х исполнений:

— метрическая по международной системе ИСО;

— дюймовая - унифицированная национальная (американская) резьба иыТ;

б) с углом профиля 55°, дюймовая - по Британской системе Витворта ВБУ/ и трубная резьба по ГОСТ 6357-81 (рис. 16).

2. Целевого назначения: трапецеидальная, коническая дюймовая, трубная коническая, круглая и упорная резьба, (рис. 1в-ж),а также вентильная, прямоугольная, радиусная (шариковая), для изделий из стекла и т.д.

3. Нефтегазового сортамента - для бурильных, нефтегазовых, обсадных и насосно-компрессорных труб с резьбой треугольной, .конической трапецеидальной (рис, 1з) и замковой.

Для каждой группы составлена таблица с технической характеристикой резьб [6], учитывающей основные ее конструктивные элементы: диапазон применяемых диаметров, шагов, углов профиля и степеней точности, а также высоты профиля наружной и внутренней резьбы с

9 РОССИЙСКАЯ

. ГОСУДАРСТВЕННА? БИБЛИОТЕКА

ж)

3)

Рис. 1

соответствующими допусками. Эти данные используются в качестве исходных при проектировании технологических операций обработки резьб.

Технологию изготовления резьб предложено [1] разделять по двум признакам: по расположению поверхности -наружная и внутренняя и по способу воздействия инструмента на материал заготовки: резание, ППД, электрофизическая и электрохимическая обработка (ЭФЭХМО), литье и прессование.

Резанием можно обрабатывать любые материалы, а методами ППД - только пластичные.

В общем объеме технологии изготовления резьб доля процессов резания составляет 70%, в том числе 40% - нарезание метчиками и 15% - нарезание наружных резьб головками, а процессы ППД составляют 26%, из которых 25% - процессы накатывания наружных резьб. Поэтому в работе основное внимание уделено трем указанным выше наиболее применяемым процессам обработки резьб.

На основании учета мирового опыта разработана технологическая характеристика и общие схемы промышленных методов обработки резьб, представленные на стр. 39-42.

Полный набор включает 37 наименований: 18 - для наружной резьбы и 19 - для внутренней. Для каждого метода были определены технологические возможности с количественной оценкой основных параметров: диапазона диаметров, шагов, длин и точности резьбы, величины сбега, максимальной твердости заготовки, производительности и типа производства, для которого рекомен�