автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Резьбонакатные головки для формообразования мелкоразмерных резьб плоским неприводными встречнодвижущемися плашками

Р Г Б ОД 1 7 АПР

Комитет науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СТАНКИН

РЕЗЬБОНАКАТНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИ РЕЗЬБ ПЛОСКИМИ НЕПРИВОДНЫМИ ВСТРЕЧ НО ДВИЖУЩИМИСЯ ПЛАШКАМИ

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и физико

технической обработки, станки и инструмент.

На правах рукописи

Алеианова Ирина Борисовна УДК 621.992.7.02.001.5

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук'

Москва 1935 г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени Государственном' технологической университете

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор СУЛТАНОВ Т.А. Кандидат технических наук, доцент АБИДОВ P.A. Лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук, профессор ВЕРЕЩАКА A.C., кандидат технических наук, доцент ХОСТИКОЕВ М.З. Московский инструментальный завод

Защита состоится -//- Pf 1995 г. в /Ч часов на заседании специализированного Совета К 063.42.05 Московского Государственного технологического Университета "СТАНКИН" по адресу: 101472,- ГСП, Москва, К 55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Университета "СТАНКИН".

Автореферат разослан *//" fj ty 1995 г.

"СТАНКИН".

Научный руководитель

Консультант -Официальные оппоненты

Ведущее Предприятие

Ученый секретарь Специализированного Совета к.т.к., доцент.-

ПОЛЯКОВ ю.п.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Формообразование резьбовой поверхности летали методом кинетопластики находит самое широкое применение, развитию и изучению которого уделяется большое внимание..Причем, предпочтение отдается обработке на универсальном оборудовании с различной степенью автоматизации при' помощи реэьбонакатных головок (РНГ), позволяющей сочетать резьбонакатывание с другими видами обработки в единой технологической наладке.

Развитие некоторых областей промышленности привело к распространению во всем мире мелких крепежных резьб. Традиционные методы обработки и инструменты, используемые для накатки этого диапазона малопроизводительны и неэффективны. Особое значение приобретает использование реэьбонакатных головок для обработки резьбы на мелкоразмерных деталях, как вследствие слабой изученности так и из-за трудности создания инструментов и осуществления процессов.

Актуальной задачей является создание процесса и накатного инструмента (РНГ), обеспечивающих получение качественных

резьб предельно малых диаметров (0.25-2.0 мм), позволяющих О

производить обработку деталей в многоинструментальных наладках современного оборудования, в сочетании с другими видами обработки и обладающих большими технологическими возможностями и высокой производительностью.

Цель работы - создание нового типа реэьбонакатных головок со встречнодвижущимися плоскими плашками на основе изучения особенностей данного процесса накатывания мелкоразмерных резьб. К особенностям формообразования предельно мелкоразыерных резьб (0.25 - 2.0) следует отнести малую" прочность и жесткость стержня под накатывание, ограниченность рабочей зоны для размещения деформирующих элементов головки, что в свою очередь требует исследования особенностей кинематики , прогнозирования динамических факторов на соответствующих стадиях процесса и условий формообразования, необходимых и достаточных для получения качественной резьбы.

Общая методика исследований. Работа представляет собой комплекс теоретических и экспериментальных исследований процесса накатывания мелкоразмерния резьб при псисют РНГ с

плоскими накатными элементами, с использованием возможностей РС ЭВМ для численного моделирования, а также путем натурального моделирования.

Научная новизна представленной работы состоит из совокупности закономерностей, положений и зависимостей, обосновывающих возможность и условия реализации процесса с помощь» головок, выОора основных конструктивных элементов инструмента и складывается из следующих компонентов:

- концепции резьбонакатной головки для предельно мелкоразмерных резьб на Сазе использования процесса накатывания двумя встречнодвижущимися плашками;

~ закономерностей профилирования плоских инструментов численными методами на РС ЭВМ (прямая задача);

- системы профилирования инструмента для решения об- • ратной'задачи и результатов моделирования на ее основе проектных ситуаций для оценки точности обрабатываемой резьбы;

- аналитического описания условий захвата заготовкой плоских плашек резьбонакатной голйвки, обосновывающего возможность реализации процесса в условиях использования плоских неприводных формообразующих инструментов;

- зависимостей для определения диаметра стержня под накатывание, учитывающих специфику мелкоразмерных резьб;

- графического и формализованного описания процесса формирования витка резьбы;

- зависимостей для определения основных конструктивных элементов резьбонакатной головки.

Практическая ценность• Разработана новая патентночис-т»я модель РНГ для обработки предельно мелкоразмерных резьб в диапазоне диаметров 0.25 - 2.0 мм.

Реализация работы. Конструкция резьбонакатной головки с плоскими резьбонакатными формообразующими элементами передана для использования на КИПО "фрезер".

Апробация работы. Основные положения работы доложены м обсуждены на научно-технической конференции "Наукоемкие Технологии в машиностроении и приборостроении" г.Рыбинск 1994 Г. и заседания* кафедры "Инструментальная техника и компьютерно« моделирование" МГТУ "СТАНКИН".

Публикация. По материалам Диссертации опубликованы •мсм «оклад* на научно-технической конференции "Наукоемкие

технологии в машиностроении и приборостроении", направлена заявка на изобретение, подготовлены к печати методические указания к лабораторной работе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложена на страницах машинописного текста и содержит рисунка, . таблиц, .

приложений, а так же список литературы, включающий 99 наименований. ;

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан краткий анализ основных способов обработки резьбы холодным пластическим деформированием и их технологических характеристик.

. Установлено, что наиболее целесообразной, но совершенно неизученой схемой построения резьбонакатной головки для мелкоразмерных резьб следует считать схему с двумя встречно-движущимися плоскими накатными плашками с формообразующими поверхностями типа "развернутый винт" или "развернутое кольцо".

Описан, деформирующий элемент плоская накатная .плашка, показано разнообразие форм заборной части, соотношение конструктивных параметров, а так же элементы профиля.

Анализ опубликованных исследований показывает, что к изучению процесса накатывания плоскими плашками не было проявлено достойного внимания, хотя он занял определенное И значительное место в числе других методов резьбонакатывания. Например, можно констатировать, что изучение проблем профилирования плоского резьбонакатного инструмента применительно к станочному накатыванию не осуществлялось, благодаря чему в этой области вообще отсутствует- всякий научный материал.

Принципиальная особенность процесса накатывания голов- ' каыи в отличии от станочного состоит в том, что приводным звеном технологической пары является заготовка. Поставленная в работе цель и анализ современного состояния проблемы определяет основные направления исследований:

- изучение закономерностей профилирования рабочих поверхностей плоских резьбонакатных плашек РНГ/

- создание методики решения обратной эадлчх* профилирования, для использования ее при исследовании закономерностей

накопления погрешностей профиля изделия по исходному профилю инструмента и параметрам установки;

- определение кинематических зависимостей для рассматриваемых условий, которые могут быть положены в основу методики определения конструктивных элементов инструмента, позволяющего получить изделие с заданными параметрами;

- исследование начальной стадии, в частности условий захвата, которые могут быть с одной стороны положены в основу проектирования инструментов, с другой - обеспечить осуществимость процесса;

- исследование специфики формообразования мелкоразмерных резьб; закономерность прироста диаметра, удлинение стержня в процессе деформации;

- разработка конструкции резьбонакатной головки с плоскими формообразующими плашками для обработки предельно мелкоразмерных резьб на станках общетехнологического назначения.

Во второй главе на основе частной методики "Теории профилирования инструментов по пространственным кривым" проф. Султанова Т.А. решается задача определения профиля инструмента по профилю изделия, как составная часть системы проектирования любого инструмента. Путем компьютерного моделирования ситуации взаимодействия инструмента и заготовки численными экспериментами исследуются закономерности образования профиля плоских плашек.РНГ.

Процесс резьбонакатывания осуществляется при следую-цих движениях: принудительное вращение заготовки вокруг оси ОХ*, горизонтальное перемещение инструмента вдоль оси 02 за счет сил трения с заготовкой, спонтанное осевое перемещение инструмента (рис. 2.12).

Для определения аналитических зависимостей в качестве исходной принята поверхность изделия - косой архимедов геликоид, заданная в системе Х*К*г*, поверхность инструмента представляет собой совокупность параллельных прямых линий, определенным оорааом расположенных в пространств*. Определение профиля инструмент« происходит в системе координат инструмента. Уравнения (2.12) и (2.13) определяют координаты линии пересечения единичного витка, резьбы горизонтальной плоскостью Х02 для правой стороны витка. .

Рис. 2. 12. Профилирование плоского накатного инструмента.

Y

X ■» P»e«003/í---*(tgo»co3/j-sin©»Sin/i) + -r» tg а» ооз ¿í (2.12)

COS ТУ '

Y

Zsp»©*sin/í+—^«((8о»ып//+ыпв*а»^)-г*18о*со8,и (2.13)

где P - винтовой параметр, г - радиус впадины реэьСы, в- угол наклона профиля, Ц - угол между осью изделия и нормалью к направлению витка, 0- независимая переменная.

Уравнения (2.17) и (2.18) для левой стороны витка.

Y

X = P»6*cos^--— »(tga*cos^ + sine«sin/0+r»tga*cosp |¿.17>

COS (7 ,

у

Z = P»e*5¡n/¿--—*(tga*sin/i-smG»cos/j)+r*tga»smu (2.18)

cos®

Точка, наиболее приближенная к оси OZ, является точкой Сопряжения и определяет профиль витка плашки. Профиль плашки получается проектированием точек контакта инструмента и изделия по всей высоте взаимодействия в плоскость нормального сечения плашки ХОУ.

Численными экспериментами исследовалась зависимость влияния величины угла перекрещивания осей ц на форму и параметры линии профиля. Численное моделирование широкого спектра ситуаций прямого профилирования плоскими плашками Типа "развернутый винт" и "развернутое кольцо", выявило закономерности образования профиля:

- в вероятном диапазоне значений угла перекрещивания ft практически сохраняется прямолинейность рабочего профиля плавки. Стрела прогиба не превышает 0.001*Р.

- при значениях угла перекрещивания fl близких к гранитным величинам происходит сужение толщины витка профиля на величину 0.01*Р, и уменьшению угла профиля а (Рис. 2.6)

Результаты исследования закономерностей прямого профилирования позволили создать упрощенную методику решения обратной задачи профилирования т.е. задачи определения профиля рез>0овой поверхности изделия по известному профилю инструмента. Полученные закономерности позволяют опираться на доказанное утверждение ' о том. что профиль обрабатывающего инструмента представляет совой практически прямую линию вопреки теоретическому положению о криволинейности. | Отсюда

возникает возможность создания соответствующей методики. Профиль обрабатываемой резьбы получается проектированием точек контакта инструмента и изделия каждого горизонтального сечения в плоскость осевого сечения резьбы ХОУ на всей высоте взаимодействия. Координаты профиля определяются уравнением (2.21) в системе координат ХОУ.

Х = (У-г)*Ца + ({У-г)*1еа-Хт1,)1со$м (2>21)

где Хпк - точка кривой сечения витка резьбы, определяется выражением (2.12)

таблица 2.1

Диаметр заготовки Шаг Угол подъема резьбы

на нижнем диаметре на среднем диаметре на наружном диаметре

0.25 0.075 5.27 6.45 8.04

1.00 0.25 4.33 5.26 6.14

1.10 0.25 4.00 4.34 5.09

2.00 0.40 3.39 4.11 4.39

Анализ (таблицы 2.1) показывает, что существенным отличием мелкоразыерных резьб является достаточно большая разница величин угла подъема винтовых линий ' <р на различных диаметрах в пределах высоты профиля, тем неменее в этих условиях профиль резьбы должен контактировать с рабочим профилем платки, имеющим постоянный угол наклона или установки. Такое сочетание требует оценить его влияние на образование погрешностей профиля при резьбонакатывании. Это позволяет сделать разработанная методика определения профиля. Закономерности, полученные на этой основе, приводятся в главе 4.

В третьей главе была исследована специфика начальной стадии процесса формообразования, которая заключается в том, что резьбонакатывание головками осуществляется; - неприводными плашками)

- досылка плашек пружинами до заготовки сопровождается определенным ударом двух элементов технологической пары.

Установлено, что для стабильного развития формообразования нужно создать условия пластического деформирования заготовки с первого момента взаимодействия, которые позволят увеличить поверхности трения и исключить возможность холостого проскальзывания. Давление необходимое для такой деформации, определится зависимостью (3.22)

НВ*Ч1*У1

Р^-*=1— (3.22)

Как известно, ограничение на величину нормальной силы могут накладывать прочностные параметры заготовки, определяемые уравнением (3.27).

? г*q>*G^J^*л (3.27)

Где НВ- твердость заготовки, <!- диаметр заготовки, £-модуль продольной упругости, I„- длина заготовки, р-предельно допустимый угол закручивания заготовки, С-модуль сдвига, Jt- момент инерции, суммарная длина взаимодей-

ствующих участков.

Величина заборного конуса оказывает значительное влияние на процесс деформации, определяя соотношение радиальных и тангенциальных составляющих сил накатки. При определение аналитического описания условий захвата плашек вращающейся, заготовкой были учтены факторы динамического контакта и условия трения двух поверхностей. Уравнениями (3.13), (3.14) определен интервал величин заборного конуса( в котором формообразование без проскальзывания возможно при небольших силах, характерных для данной конструкции РНГ.

Л

сое/*

<3.13)

(3.14)

Где^- коэффициент трения скольжения, 0,,,- вес пружины, б.» ~ вес плашки, " ве<= заготовки,. г„, - норма напряжений

для пружин сжатия, я -ускорение свободного падения, -плотность материала пружины, Е - модуль продольной упругости, /г 4-коэффициент трения качения, длина заготовки, Сир" относительный инерционный зазор сжатия, суммарная длина контактирующих участков.

Полученные расчетные величины' заборного конуса ^ (таблица 3.2 диссертации) значительно отличаются от общепринятой величины для станочных плашек (3-5 градусов), что.подтверждает предположение о различиях процессов.

Для мелкораэмерной резьбы и рассматриваемых условий обработки выявлена закономерность прироста витка с учетом удлинения стержня в результате выдавливания материала для генераторной (3.33) и профильной (3.34) схем деформации (рисунок 3.12).

(3.33)

2*«а

,- (3.34)

•¡((Р-Уе->(Тц *%а+£+,)

2/чда

Где Р- шаг резьбы, - глубина впадины, Н, - высота витка, Г = /, +»,+...+»._,, Н = \ , £ - относительное

удлинение металла при данном виде обработке, е - О.Е ширины вершины витка плашки.

Интенсивность прироста' непосредственно связана с параметрами деформирующих участков плаяек, оказывает значи

п

тельное влияние на изменение сил и крутящих моментов, что, в свою очередь, может сказаться на целости малопрочного стержня.

Стремление к снижению сило-моыентных характеристик накатки привело к появлению криволинейной формы заборной части плашки. Специфичность диапазона обрабатываемых резьб увеличила актуальность использования данной формы. Впервые получено формализованное описание линии заборного конуса из условия равнообъемного деформирования для профильной (3.36) и генераторной (3.39) схем деформации (рисунок 3.13).

»

2*е+2*(Т+Я)«tga-■J^2*e+2*(T+H)• tga? -A*F•tga

I---- (3.36)

2* ^а

Где ^ = *Ща + 2*(Т±Н)*1,*1га (3.37),

й, определяется уравнением (3.34)

, - (Р12~ 2* Т* ~ 12 ~ 2* Г* ~ 4*

(З.ЗЭ)

где ^ =ХР12-2*Т*^а)Ч,~12*1$а (3.40)

В четвертой главе объединены и описаны исследования, положенные в основу рекомендаций по эксплуатации новых инструментов .

Разработанная методика определения диаметра заготовки Под резьбонакатывание, отличается от всего многообразия известных методик наличием и учетом осевого течения материала, что имеет значение для малоразмерных стержней (4,4). Методика позволяет определить предельные размеры заготовки на основании нормальной точности накатываемой резьбы (4.4) (4.6), исключающей переполнение профиля плашки таблица (3.4 диссертации).

4 = + 8//>*(3/8*/,*(Л2-г2)+(ко*(Л2«г -2/ЖМ/Зт3))) ^ ^

♦То+ё

Рис. 3. 12. Закономерность прироста витка.резьбы.

Рис

. 3. 13. Линия заборного конуса при условии равнообъемного де-' формирования.

4._'2/1'>'.'„») (4.6) •VO+в

/

Где RtMfR^a,,, - наибольший и наименьший радиусы вершин резьбы с учетом полей допусков по ГОСТ 16093-81, -

наибольший и наименьший радиусы впадин резьбы с учетом полей допусков по ГОСТ 16093-81.

Прочность заготовки требует определения величины и направления осевого перемещения инструмента, возникающего как следствие взаимодействия поверхностей (4.10),(4.11)

ДР = Р- яч!^*^eos1 fj*ig(iú + р) - sin м* eos/л) (4.10)

ДP-P- L„Jk*(eos' jJ*tg(a+fi)~ sinocos ц) (4.11)

Где d^ - средний диаметр резьбы, Lnt - длина плашки, к - количество оборотов заготовки в процессе обработки.

Количественная оценка величин осевых перемещений необходима при разработке установочных приспособлений под РНГ.

Для изучения ряда задач проблем точности, обрабатываемой резьбы использована предложенная и описанная выше в Главе 2, методика решения обратной задачи. Методика позволяет осуществить математическое исследование точности профиля, исследовать влияние параметров установки, произвести сравнение с тестированным профилем резьбы и определить целесообразные допуски.

Были проведены серии численных экспериментов:

- определение влияния угла перекрещивания осей изделия и инструмента fí на угол при вершине резьбы а и толщину профиля витка К}

- -влияние угла перекрещивания fí на прямолинейность профиля;

- определение граничных величин угла перекрещивания fí, при которых точность обработанного профиля удовлетворяет требования 6h по ГОСТ 16093-81.

Графические результаты (рис. 4.6 - 4.16 диссертации) расчетов показали:

X

с/ » 0,35 1 -уУ я ^Н ° %

ХуР—

цш

иг.

Рис. 2. 6. Закономерность . Рис. 4. 6. Закономерность образования профиля инстру- образования профиля резьбы мента /прямая задача/. /обратная задача/.

У

0,12

■ / с! ° f уь- .и.

,1 /

X 1

л 1

N {

1

У

т

Аск

Рис. 4. 10. Влияние угла Рис. 4. 14. Влияние угла перекрещивания на погрешность перекрещивания ка формирова-профиля. ние угла профиля.

наилучшая прямолинейность т.е. при минимальной стреле прогиСа получена при обработке с углом перекрещивания осей (1, равным углу подъема резьбы на среднем диаметре;

- профиль соответствует точностным требованиям для 6(1 по ГОСТ 16093-81 при вариациях величины угла перекрещивания на ±0.5 градуса;

- наибольшее отклонение от идеального профиля наблюдается на среднем диаметре.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных, патентных и промышленных материалов показывает, что предельно мелкоразмерные резьбы (диапазон диаметров 0.25 - 2.0 мы) имеют значительное распространение в приборостроительной, часовой, электронной и электротехнической отраслях промышленности, а размеры мелкоразмерных резьб регламентированы рядом отечественных и международных стандартов. Для получения резьбы используются методы нарезания; выдавливания и накатывания. Однако, специфика малых размеров существенно отражается на возможностях и ограничениях по каждому методу обработки. Основными ограничениями являются:

- малая прочность стержня, что отражается как на выборе метода обработки, так и на конструктивных особенностях инструментов в'связи с возможностью скручивания или деформации;

- ограниченное пространство вокруг малого стержня, что препятствует размещению наиболее распространенных в резьбонакатных головках круглых инструментов с достаточно прочными и надежными рабочими органами (роликами, гребенками, осями и т.д.).

2. Мировая практика станочного резьбонакатывания в настоящее время отдает предпочтение резьбонакатиаанию головками (РНГ), обеспечиваюиу» высокую производительность и качество, совместимость с другими видами обработки ь единой нг1Ладхе, ресурсосбережение Б И'^.рогсу смысл«. Однако, использований традиционных схем рр.'зьсснакзтнцх го.чоаох, несмотря

на их многообразие, для обработки малых резьб неприемлемо а силу аргументированных выше причин. Установлено, что наиболее целесообразной, но неизученной принципиальной схемой построения РНГ для мелкоразмерных резьб следует считать схему с двумя встречнодвижущимися плоскими плашками с формообразующими поверхностями типа ."развернутый винт" или "развернутое кольцо".

3. Изучение закономерностей профилирования плоских накатных плашек, как составной части системы проектирования любого инструмента, путем компьютерного моделирования ситуаций численными экспериментами, позволило установить:

3.1. В практически вероятном диапазоне значений (табл. 2.1) угла перекрещивания/* единичного витка плашки обеих видов формообразующих поверхностей и косого геликоида изделия профиль резьбы йнструыента .остается прямолинейным. Кривизна формы профиля не превышает 0.001*Р стрелы прогиба.

3.2. Моделирование запредельных ситуаций по углу перекрещивания с целью выявления тенденций изменения профиля показало, что практически прямолинейность профиля резьбы плашки сохраняется, однако, происходит уменьшение толщины витка резьбы К .

4. Необходимость изучения точности положения плашки относительно обрабатываемой резьбы заставила найти решение, так называемой, обратной задачи профилирования, т.е. методики, позволяющей определить влияние априорно выбранного или принятого.профиля плашки на профиль обрабатываемой резьбы. Численные эксперименты позволяют установить, что в пределах допустимых стандартом ГОСТ 16093-81 точности резьбы возможны колебания положения плашки по углу установки до 1 градуса.

5. Начальная стадия процесса накатывания резьбы неприводными (в отличие от станочного накатывания) плашками харак-

ч

теризуется необходимостью создания и аналитического описания(3.13), (3.14) условий захвата плашек вращающейся заготовкой. Особенностью процесса для РНГ является сочетание двух факторов- условия трения и динамического контакта. Установлено, что наличие соударения плашек и заготовки в первый момент контакта является дополнительным фактором, способствующий обеспечению взаииоэахвата двух звеньев технологи-

ческой пэры, что в свою очередь, позволяет надежно реализовать процесс обработки.

6. Определена и аналитически описана (3.33), (3.34) закономерность прироста диаметра заготовки в зависимости от стадии формообразования с учетом особенностей малоразмерной заготовки. Наличие такой закономерности создает возможность варьирования и выбора по различным критериям конструктивных вариантов деформирующей части инструмента.

7. Разработана и аналитически описана методика (4.4) определения размера заготовки под резьбонакатывание, учитывающая специфику малоразмерности заготовки через введение в систему расчета параметров ее удлинения при радиальном деформировании.

8. Разработана система определения размера заготовки позволила дать расчетные рекомендации (4.4 - 4.6) по определению Точности заготовки под накатывание на основе использования принципа допустимого максимума и минимума объема материала для формообразования заданной резьбы.

9. Ориентируясь на специфику малоразмерной резьбы, получена зависимость для определения величины и направления осевого перемещения инструмента (4.10), (4.11), возникающего как следствие взаимодействия поверхностей.

10. Практическое использование результатов исследований нашло свое выражение в следующем:

10.1. Разработана новая конструкция резьбонакатной головки. Материалы разработки направлены на патентование. Заявочные документы N

10.2. Чертежи разработанной головки направлены МИПО "Фрезер".

10.3. Подготовлены методические указания для внедрения соответствующей лабораторной работы в учебный процесс.