автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Режуще-выглаживающий инструмент, предназначенный для повышения качества тонкостенных латунных заготовок

На правах рукописи

КОРНЕВА МАРИЯ ИГОРЕВНА

РЕЖУЩЕ-ВЫГЛАЖИВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТОНКОСТЕННЫХ ЛАТУННЫХ ЗАГОТОВОК

Специальности: 05.02.07 «Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки» 05.02.23 «Стандартизация и управление качеством

продукции»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 б ЯН0 2612

Тула-2011

005007903

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Протасьев Виктор Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бобков Михаил Николаевич

кандидат технических наук, Губарев Павел Борисович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Государственное научно-производственное предприятие «Сплав» (г. Тула).

Защита состоится <£%> ОН 2012 г. в 14 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.271.01 при Тульском государственном университете по адресу 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92 (9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «/$» № 20 И г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При производстве водоразборной санитарно-технической арматуры в качестве заготовок для основных деталей используются отливки из латуни, получаемые литьем под давлением в многоместные пресс-формы. В таких отливках не обеспечивается правильность и идентичность геометрической формы заготовок. Это создает существенные осложнения на операциях механической обработки, для которых наружная поверхность заготовки является базовой.

Нестабильный припуск приводит к значительным затратам времени на отделку (полировку) наружных поверхностей деталей для придания им товарного вида. Для ряда деталей трудоемкость полировки составляет от 50 до 70 % от общей трудоемкости их изготовления.

В диссертации разработан высокопроизводительный метод отделочной обработки латунных тонкостенных заготовок на примере шестигранных гаек, позволяющий получить не только заданную шероховатость наружной поверхности, но и обеспечить требуемую точность геометрических параметров. Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным с точки зрения модернизации технологии изготовления детали: если отделочная обработка наружного шестигранника обеспечит стабильную правильность и идентичность базовых поверхностей для нарезания внутренней резьбы, то создаются предпосылки для автоматизации процесса резьбонарезания.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы №14-06 «Повышение эффективности и качества механической обработки на основе совершенствования процессов резания и конструкций инструментов» и гранта РФФИ №04-0196701 «Исследование процесса деформации срезаемого слоя на передней поверхности лезвийного инструмента».

Из вышеизложенного следует, что отыскание принципиально новых технических решений по повышению качества тонкостенных латунных заготовок и снижению трудоемкости отделочных операций является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в разработке комбинированного инструмента, обеспечивающего заданную шероховатость поверхности и уточняющего геометрические параметры тонкостенных литых заготовок, а также в обосновании критерия качества для оценки выходных характеристик процесса обработки.

Объект исследования. Способы улучшения характеристик качества заготовок - шероховатости и точности взаимного расположения поверхностей.

Предмет исследования. Конструктивное и квалиметрическое обоснование параметров режуще-выглаживающего инструмента, работающего по принципу калибровки тонкостенных литых заготовок с последующим охватывающим протягиванием наружной поверхности.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследований:

1. Разработать секционный режуще-выглаживающий инструмент, позволяющий исправлять дефекты тонкостенных латунных заготовок .

2. Разработать методику расчета натягов на первой секции инструмента, калибрующей заготовку и обеспечивающей её беззазорную посадку на цилиндрическом толкателе для повышения жесткости технологической системы.

. 3. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования режуще-выглаживающего инструмента с использованием метода робастного проектирования для установления рациональных значений его конструктивных и технологических параметров.

4.Установить критерий для оценки результатов проведенных опытов, объединяющий две выходные характеристики (несоосность и шероховатость) и учитывающий потери на дальнейших операциях обработки деталей.

5. Оценить точность сборки режуще-выглаживающего инструмента с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) с целью регулировки взаимного положения рабочих элементов.

. 6. Применить результаты исследований в промышленности и учебном процессе.

Автор защищает:

- конструкцию режуще-выглаживающего инструмента, уточняющего геометрические параметры тонкостенных литых заготовок и снижающего трудоемкость отделочных операций за счет охватывающего протягивания;

- методику определения натягов на первой калибрующей секции, обеспечивающей беззазорное базирование заготовки на толкателе и повышающей жесткость технологической системы;

- комплекс теоретических и экспериментальных исследований, выполненный с помощью методов робастного проектирования, устанавливающий рациональные значения параметров эксплуатации инструмента;

- методику оценки качества процесса обработки, включающую расчет критерия «сигнал/шум», объединяющего две выходные характеристики, а также элементы дисперсионного анализа;

- результаты исследований точности изготовления и сборки режуще-выглаживающего инструмента с помощью КИМ.

Методика исследований. Теоретические исследования базируются на робастном проектировании по методу Г. Тагути, позволяющему минимизировать число опытов, определить тенденцию изменения качества процесса и применить элементы дисперсионного анализа.

Экспериментальные исследования по разработанной методике проводились с использованием в качестве оборудования гидравлического пресса РН-М 100h. Измерения выполнялись с применением современных средств контроля -профессионального прибора для контроля шероховатости HÜMMEL TESTER W55 и координатно-измерительной машины фирмы Mora модель HBG Pico.

Научная новизна.

1.С использованием робастного проектирования теоретически и экспе-римшталшо обоснована конструкция режущ е- выглаживающего инструмента для обработки наружных базовых поверхностей тоннэстенных литых латунных заготовок методом охватывающего протягивания с предварительной калибровкой зато то во к (спец. О 50207).

2. Разработан критерий, основанный на монотонной возрастающей функции потерьи позволяющий выбратьрационалшый опыгдляопределения значений технологических и нэнструкшвных параметров режуще-выглаживающего процесса. Предложенный критерий, в отличие от известных, позволяет оценить два выходных показателя качества изделия - несоосность наружной и внутренней поверхностей и шероховатость наружной поверхности (спец. 05 02 23).

Практическая ценность

1. Разработан инструмент для высокопроизводительного охватывающего протяшваниялитых латунных заготовок с предварительной калибровкой заготовок, установленных беззазорно на пуансоне, обеспечивающий уточнение формы и размеров.

2.0беспетена возможность снижения припускав на обработку внутренней поверхности, путем минимизации ее несоошости по отношению к базовой поверхности.

3. Разработана методика для определения натяга в калибрующей секции, обеспечивающей беззазорную посаду заготовки на толкателе (пуансоне) перед началом протягивания.

Реализация и внедрение результатов работы.

Былиразработаныи приняты к внедрению:

- специальный инструмент для отделочной обработки всех шеста фан ей заготовки;

- система подани воздуха для охлаждения и очистки от стружки рабочих элементов;

- ганструкция заготовки, отвечающей требованиям предлагаемой технологии;

- программа для оценки погрешности сборки инструмента на ыэординат-но-измерителшой машине.

Апробация работы.

1. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих ночных конференциях: международная юбилейная научно-техническая конференция «Инструменталшые системы машиностроительных производств», посвященная 105-летию со дня рождения С. С. П етрухина, 29 - 31 окггйря 2008 г.; «Фундаменталвдые и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе» г.Орел, 2010г.; 3-я международная нгучно-техническая конференция, г. Брянск, 9 - 20 мая 2011 г. и на ежегодных нгучно-практических

конференциях профессорско-преподавательского оостава Тульского госудгрсг-венного университета.

Публикации.

По теме опубликовано 6 печатных работ в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАКсобщимобъемом в2Д5 петл.;изних авторских- печ.л.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов работы; выполнена на 115 страницах и содержит40 рисунюв,23 таблицы, список литературы из 73 наименований и приложения. Общий объем -126 стр.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи работы, нгучная новизна и практическая ценность. В качестве объекта для проведения исследовательских и опьпно-иэнструкторских работ была выбрана деталь «Гайка соединительная». Изделие (смеситель для ванны), в которое входит эта деталь, выпускается тульской производственной фирмой ООО «Арюн», специализирующейся на выпуске юдоразборной арматуры; программа выпуска более 1000000 деталей в год.

В первой главе проведен анализ методов отделочной обработки для детали «Гайка соединительная», который позволил установить, что качество поверхности можно улучшить до требуемого уровня только механическим путем. Рациональным способом, обеспечивающим заданную шероховатость поверхности, а также надежность базирования заготовки на последующей операции резь-бонфезания, является комбинация режущих и выглаживающих процессов, которые объединяет в себе охватывающее протягивание. Охватывающее протягивание является мало исследованным процессом. Им занимались в своих раэотах Захарам из АИ., Бекаев АА., Соловьев СЛ., Протасьев В.Б., Анисимова М.А., Канцев ПГ„ Терехов Н.В., Лемакэв В.Д., Цегельнин В.П., Мельников ПА., СкиженокПА.и др.,однако обработка охватывающим протягиванием для тонко стенных зато то юк используется впервые.

Предварительные эксперименты нарадиально-сверлилнном станке покат зали необходимость следующих мероприятий и исследований для достижения поставленной цели:

- обеспечения калибровки заготовки и ее беззазорного базирования на толкателе (пуансоне) в начале процесса, тем самым юнетрукгавно повышается жесткость заготовки и ее механическая прочность при тонкой стенке;

- сохранения технологического натяга в течение всего рабочего хода за счет использования калибрующей секции, точно ориентированной по отношению кдругим секциям;

- нахождения рационального сочетания режимных параметров (скорости резания, споообаохлаждения и др.) и конструктивных параметров (количество

реющих элементов, значение их передних и задних углов, споооб их закрепления (плавающее или жесткое)).

В первую очередь определен минималшый натяг г который должна обеспечить калибрующая секция, чтобы устранить зазор А между гайюй и толкателем. Оптимальное значение натяга/позволяет сохранить форму внутреннего отверстия, а также исключить появление погреши оста обработки, связанной с нфушением ориентации детали относительно толкателя при ее движении вне рабочих элементов. Схема взаимного расположения толкателя, заготовки и калибрующего элемента предсташтенана рис.1.

Рис.1 Схема распределения натяга

А - зазор между гайкой 2 и толкателем 1 /- натяг, создаваемый гайкой 2 и калибрующей секцией 3. Длярешения поставленной задачи предложена зависимость перемещения элемента поверхности отверстия <Ар от угла <р, характеризующего некий злемен-

Задачабыларешена методами, используемыми в мех анике материалов. В результате расчетов получено итоговое выражение для перемещения стенки отверстия 1С

и =

Е-/и

м-

о.озз*2^-^

360°

360Р

2£

0.083-^ • ■ (/д - 2г) - •(//-0.5)-- 0.25Л:

до

После анализа результате в расчета принят зазор между гайкой и пуансоном А(рис. 1),равный минимальному перемещению стенок о твер ста я; припуск, а значит и натяг на первой калибрующей секции, с учетом требований к точности и чистоте поверхности детали, соответствует рекомендациям, установленным для протягивания. Для гонкрегаой задачи Д = 0,061 мм и ¡ = 0,1 мм. Рассчитанные значения данных параметров при всех последующих изменениях юнсг-ру кции ин стру мен та н е корр ектяровал ись.

Подобным способом можно калибровать и другие геометрически неточ-ныелитые заготовки.

Далее заготовка должна пройти чфез систему охватывающих релущих и выглаживающих элементов, закончив обргбот^ прохождением через плавающую выглаживающую секцию.

Таким образом, был спроектирован и изготовлен новый комбинированный инструмент(рисЗ).

я—

подающая

ш

Режущая секция для граней №2

а) корпусверхний

б) корпу с нижний

Рис.3 Схема сборки комбинированного инструмента

Хвостовик

Плита верхняя <-

Толкатель

Направляющая колонка

Koonvc инструмента

Плита нижняя

Рис.4 Общий вид комбинированного инструмента

Секции инструмента изготовлены цельными на электроэрозионном вырезном проволочном автомате AG400L фирмы Sod ick, Япония. Их взаимно ер ас-положение обеспечивает в каждый момент обработки «перехват» заготовки, то есть контакт с гайкой не менее двух обрабатывающих элементов, как это принято при протягивании.

При исследовании этого инструмента выявлены параметры, влияющие на качество обработки. Для определения рациональных значений этах параметров было принято решение применить метод робастного проектирования Г. Тагути, позволяющий минимизировать число опытов, определить тенденцию изменения процесса и выполнить дисперсионный анализ для определения влияния управляемых п ар аметро в на разброс выходной харакгери ста кн.

Вторая глава посвященаподготовке к много фактор ному эксперименту по методике Г. Тагути.

На пфвом этапе были проведены поисковые эксперименты по обработке деталей на гидрашшчесшм прессе с целью выявления так называемых управляемых параметров, их значений и источников помех процессу. Итогом этого этапа является таблица с указанием управляемых и дестабилизирующих пара-метровых кодовых обозначений и уровней (таблица 1).

Второй этап представляет собой планирование эксперимента, связанное с решением вопросов:

- варьированиезначениямиуправляемыхпараметров,

- измерение влияния помех.

Как и при классическом планировании эксперимента, составляется ортогональная управляемая матрица (таблица2), в которой определено число опы-тови сочетаниеуровней параметров в каждом опыте.

9

Таблица 1.

А в с

Е

У

С}

н

1 2

3

4

а

Таблица 2

Управляема матрица эксперимента

№ Управл яемый п ар аметр

опыта А В С Б Е Б О Н

1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 1 1 1 1 2 2 2 2

3 1 1 2 2 1 1 2 2

4 1 1 2 2 2 2 1 1

5 1 2 1 2 1 2 1 2 а О

6 1 2 1 2 2 1 2 1 а. Й

7 1 2 2 1 1 2 2 1

8 1 2 2 1 2 1 1 2 9"

9 2 1 1 2 1 2 2 1 К

10 2 1 1 2 2 1 1 2 Ж аа

11 2 1 2 1 1 2 1 2 О. >>

12 2 1 2 1 2 1 2 1

13 2 2 1 1 1 1 2 2

14 2 2 1 1 2 2 1 1

15 2 2 2 2 1 1 1 1

16 2 2 2 2 2 2 2 2

Значения управляемых параметров

Управляемый Параметр

Охлаждение

_Дер ВДний у гол, гр ад

Количестю ре>кущихапементпи

Припуск на обработку р еж. элементов

Колич естю выглаживающих _ элементов

Диаметр пуансона

{на ченияи^ум мегрог!

Уровень!

юздух

12

ОД

плавающее

25,5

Уровень 2

НГЛ-205

О

0^5

жестко е

25,6

Радиус скру глени я режущей кромки

02

_Параметры, принятые постоянными

0$

Матер и ал р ежу щих элементов_

3 здний у год р ежу щих ал ементо в

_Припу ск н а бу фер ную сешию_

Сюр о сть р езания

Дестабилизирующие параметры

Точностьисполнения заготовки (несоо ото сть ш естигр анника и вну тр енн его о твер ста я)

У10А

12°

0,1 мм

10 м/мин

ОД

0,5

Но в отличие от классического планирования эксперимента, для поиска рациональных значений параметров процесса полученные результаты используют для расчета критерия Тагути в каждом опыте, или так называемого отношения «сигналЛиум». Сигналом при этом является номинальное значение выходной характеристики (в данном случае это шероховатость поверхности шестигранника, а также его несоосность с отверстием под резьбу), а шумом- разброс ее значений в каждом опыте, то есть ее изменчивость.

Выбор числа испытаний (для нашего случая 16 опытов) осуществляется на основе технической литературы по робастному проектированию. Сравнительно небольшое их количество позволяет с уверенностью утвер ждать, что результаты, получаемые с помощыо данной программы робастного проектирования, значительно лучше, чем полученные ранее (до применения программы). В этом и заключается одно из важных преимуществ методаГ. Тагути: нет необходимости получать наилучший результат, важно получить результат достаточно близкий к нему, выявить тенденцию улучшения качества процесса.

В третьей главе представлено описание третьего ^этапа робастного проектирования, который заключается в проведении основного эксперимента и использовании его результато в для оценки улучшенных знамений управляемых параметров. Максимально допустимая величинанесоосност, которой необходимо добиться, со ставл яет 0,2 мм, а шероховатости, с учетам последующей полировки заодну операцию,- Ra0,16 мкм.

В качестве оборудования использовался гидравлический пресс РН-М 100/г. Было проведено 16 опытов согласно матрице эксперимента; для каждого опыта выбирались4 детали срааличной величиной несоосности наружного шес-тигранникаи отверстия.

Для измерения шероховатости был использован профессиональный прибор для контроля шероховатости HOMMEL TESTER W55. Определение погрешности расположения шестигранника относительно базового отверстая производилось при помощи при по мощи универ сальных средств измерения.

Г. Тагути предложил 3 ситуации расчета Г-Тфитерия, из которых ни одна неоказалась подходящей для рассматриваемых условий. Функция потерь, на го-торой основан расчет критерия, имеет вид параболы, а в рассматриваемом случае функция потерь монотонно возрастает. Согласно Тагути, Г-критерий можно и нужно корректировать для каждой конфетной ситуации. Для этого нами принят следующий вид функции потерь.

где Ramix и Стах - максимально допустимые значения выходных характеристик процесса - шероховатости и несоосности, соответственно (Стах = 0,2 мм;

\*гпах у

(2)

К^ах- 032 мм);ЯаЫп- минималшо допустимые значения выходной хфакгери-етаки Ла(Яатш= 0,16 мм); Еа и С- значения выходных характеристик, полученные измерением на конфетой детали; ¿ш„ - потери при минимально допустимом значении выходной характеристики; 1>пш- потери при максимально допустимом значении выходной х ф актер и ста ки.

Установление затрат ¿т,„и 1тах в денежном выражении является предметом дополнительного исследования. В рассматриваемой ргботе определялась тенденция улучшения процесса. Здесь важным оказывается значение отношения между минимальными и максимальными значениями потерь. Анализ производства показывает, что для = 1 потфи при минимальном значении выходных

характфистик- шероховатости и несоосности, составят 0,7 и 0£ ед. соответственно.

Рассчитав значение потфь в каждом опыте для каждой выходной характеристики отдельно, можно определить 7-критерий. Критерий должен быть безразмерным, чтобы совместить потери от изменения выходных хгюакгеристак -шероховатости и несоосности. Опыт, где Г-фитерий будет максимальным, имеет наиоолеерационатыюе сочетание параметров.

В отличие от принятого в статистике толкования отношения "сиг-налЛпум как отношения разности между начальным значением и измененным значением к начальному знамению, в методах Тагути принято рассматривать от-ношяше разности этих знанений к среднему значению. Это позволяет повысить точность расчета, а значили надежность объекта. Для нашего случая Г-критерий будет пред ставлен выражением:

L -Т. т _ шах I

Т--=-, ^ (3)

где L. - феднее значение потфь в каждом опыте, L- среднее значение потерь

L +L .

всего процесса, определяемое выражением Z =-тах_ПНИ

2

В связи с тем, что эффект от изменчивости каждой выходной характеристики ощущается наразных стадиях производственного процесса, для определения опыта, в котором потери, вызванные оттоншием обеих выходных хфак-теристик от номинала, будут минимальны, необходимо сложить эффект отизме-нения величины каждой выходнойхаракгерисгаки вкаждомопыте:

T=Tc+TRa, (4)

где 1С и Tga- знэтение Т-критфия для несоосности и Шфоховатости соответственно.

Анализ расчетов показывает, что наибольшая величина Г-критерия соот-ветспует 16 опыту. Полученные результаты позюлили выделить сочетание параметров процесса, которое позволяет обеспетить выпуск продукции, среднее знгнение выходных харатсгеристик которой соответствует номиналу. Далее выделялись пфаметры, которые влияют на разброс выходных характфистик во-

круг требуемого значения, после чего уровни этой группы параметров выбираются так, чтобы минимизировать разброс продукции вокруг номинала.

По каждой выходной характеристике в опыте были определены средние значения и их дисперсии. Проверка однородности дисперсии Дс показала, что несоосность в каждом опыте имела одинаковые дисперсии, что и следовало ожидать, так как сам принцип работы инструмента обеспечивает стабильность этого показателя изделия. Поэтому при выборе рациональных конструктивно-технологических параметров следует руководствоваться для этой выходной характеристики только величиной среднего значения, то есть значением Т-критерия (без учета дисперсии).

С точки зрения шероховатости данный процесс не является робастным, так как ее стабильность значительно зависит от условий обработки (сочетания управляемых параметров).

Для того, чтобы наблюдать разброс выходной характеристики, по методике Г. Тагути необходимо построить диаграмму средних дисперсий Дд, по уровням факторов. По этой диаграмме можно установить влияние управляемых параметров на колебание выходных характеристик и установить такие их уровни, которые минимизируют эту изменчивость.

Степень влияния управляемых параметров на выходную характеристику Тагути оценивает по величине ее дисперсии в опыте. Однако такой подход однозначно можно использовать, когда есть уверенность, что дисперсии в опытах отличаются друг от друга неслучайным образом, т. е. точность выходной характеристики в опытах различна. В методике Г. Тагути данное обстоятельство не учитывается, поэтому целесообразно дополнить используемые в ней оценки робаст-ности дополнительной характеристикой - критерием Кохрена - таблица 3.

Таблица 3

Расчетные значения АКа CI1M„fe и GRap для уровней управляемых параметров

Тест, уровни Управляемые параметры

А В С D Е F G Н

1 уровень Дйасред 0,1155 0,1054 0,0719 0,0634 0,0472 0,0362 0,0225 0,0151

Gga 0,515 0,565 0,828 0,921 0,689 0,899 0,441 0,658

Q 0,235 0,243 0,299 0,322 0,240 0,295 0,148 0,208

2 уровень ARH ""сред 0,0027 0,0128 0,0463 0,0547 0,0709 0,0819 0,0956 0,1031

Gfa 0,316 0,759 0,704 0,609 0,839 0,727 0,623 0,578

Q 0,097 0,237 0,244 0,220 0,302 0,275 0,254 0,245

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что для выбора рациональных условий осуществления процесса предпочтительно использовать те управляемые параметры, которые дают неслучайно наименьшее значение дисперсии шероховатости ДЛа (Gp -> min; ARa -> min), что доказывается критерием Кохрена.

Однако, могут возникнуть неоднозначные, спорные, ситуации, в которых минимальное значение дисперсии выходной характеристики отличается от менее

выгодных случайным образом. В этом случае выбор условий реализации процесса целесообразно осуществлять с использованием критерия Кохрена, значение которого следует использовать как характеристику степени случайности отличия одних дисперсий от других. Рекомендованные уровни параметров процесса выделены в таблице 3 жирным шрифтом.

В опыте 16, для которого Г-критерий максимален, большинство параметров имеют рекомендуемый уровень. Поэтому были приняты значения управляемых параметров, соответствующие 16 опыту. Таким образом, выявлены рациональные значения параметров эксплуатации инструмента.

Установлено также, что для успешной реализации предложенного процесса необходимо изменить конструкцию заготовки, провести анализ погрешности сборки инструмента и модернизировать подачу СОТС в зону резания, обеспечив удаление дискретной стружки.

Четвертая глава посвящена оценке точности изготовления и сборки инструмента с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) и дальнейшему совершенствованию испытанного инструмента без изменения его схемы резания и последовательности обработки.

Вначале была выполнена оценка точности изготовления и сборки инструмента с помощью КИМ по следующему алгоритму.

Измерения для каждого рабочего элемента проводятся в плоскостях ХУ, при постоянной координате По известным координатам двух точек составляются уравнения прямой для каждой грани (рис. 5). На основе полученных уравнений определяется правильность геометрической формы шестигранника и размер между противоположными гранями, что позволяет оценить погрешности расположения рабочих элементов:

_ К 1 + £, -к2

(5)

где а - угол, на который развернуты противоположные грани относительно друг друга;

£/ и к2- угловые коэффициенты сравниваемых прямых.

а=

Ул

-кхА-Ь

(6)

X где с1 - кратчайшее расстояние между

Рис. 5. Схема измерений точкой и прямой: параметров инструмента Погрешности сборки инструмента определяются положением одноименных 1раней всех исследуемых секций. Выявленные отклонения расположения одноименных граней не превысили 0,02 мм. Эта величина принята как допустимая погрешность сборки инструмента, так как при этой величине погрешности обеспечивается требуемое значение выходных характеристик.

Полученные результаты были использованы для регулировки взаимного положения рабочих элементов.

На заключительном этапе для увеличения площади обрабатываемой наружной поверхности и улучшения условий базирования была изменена конструкция заготовки без изменения ее массы с применением прочностных расчетов, а также модернизирована система охлаждения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Решена актуальная научно-техническая задача уточнения геометрических параметров заготовок и снижения трудоемкости отделочных операций за счет применения специального комбинированного инструмента, сочетающего в себе охватывающую режуще-выглаживающую протяжку и штамп.

2. Проведен комплекс исследований, позволивший обосновать работоспособную конструкцию режуще-выглаживающего инструмента, в которой обеспечены:

- непрерывность процесса обработки, позволяющая сохранить натяг в технологической системе;

- плотное базирование заготовки на толкателе и стабильность припуска под последующее протягивание;

- свободное удаление стружки из зоны резания и эффективное охлаждение режущих элементов.

3. Разработана методика определения зазоров и натягов при базировании заготовки на толкателе. В результате после прохождения через калибрующую секцию внутренняя поверхность детали плотно облегала пуансон, что позволило стабилизировать процесс обработки в зоне режущих секций.

4. Для обоснования рациональных параметров режуще-выглаживающего процесса с помощью метода робастного проектирования Г. Та-гути была разработана ортогональная матрица для 16 опытов, параметры которых установлены при проведении экспертного анализа и поисковых экспериментов.

5. Обработка экспериментальных данных с помощью предложенного критерия «сигнал/шум» позволила определить рациональные значения режимных и конструктивных параметров процесса.

6. Дисперсионный анализ результатов экспериментов позволил установить весомость параметров процесса и выделить среди них доминирующие и малозначимые.

7. Анализ погрешности изготовления и сборки инструмента с использованием координатной измерительной машины Mora мод. Pico показал, что допустимая погрешность взаимного расположения выглаживающих и режущих элементов составила не более 0,02 мм.

8. Спроектирована новая конструкция заготовки, которая позволит применить более рациональную схему ее базирования на пуансоне - по внутреннему торцу гайки, так как увеличенная по сравнению с исходным вариантом толщина стенки выдерживает возникающие нагрузки. Кроме того, новая заготовка обеспечит обработку всей площади наружного шестигранника.

15

9. Внедрение разработанного технологического процесса отделочной обработки «Гайки соединительной М22><1,5», позволит снизить затраты на изготовление детали в 1,3 раза, так как исключит наиболее вредные и затратные предварительные полировочные операции, и получить годовой экономический эффект 881 тыс. рублей.

10. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ.

Публикации по теме диссертации:

1. Корнева М.И. Расчет натяга при отделочной обработке деталей из латуни комбинированным фасонным инструментом.//Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4: в 2ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 1. 339 с . С.68-76.

2. Корнева М. И. Проведение экспериментов по методу Г. Тагути для определения условий протягивания шестигранной латунной гай-ки//Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6: в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011.4.2 С. 110 -120.

3. Сотова Б.И., Корнева М.И. Отделочная обработка наружных шестигранных поверхностей на деталях из латуни специальным комбинированным ин-струментом.//Вестник ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Материалы Международной юбилейной научно-технической конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств», посвященной 105-летию со дня рождения С.С. Петрухина, 29-31 октября 2008 г. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С. 56 - 59.

4. Корнева М.И. Анализ разброса выходных технических характеристик шестигранной латунной гайки при протягивании граней с использованием специального комбинированного инструмента. //Новый университет. Сер. Технические науки. Вып. 3. - Йошкар-Ола, 2011 г. С. 4 - 9.

5. Корнева М.И., Протасьев В.Б., Сотова Б.И. Результаты установочных экспериментов при отладке специального режуще-выглаживающего инструмента.// Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-211). Сборник трудов 3-й международной научно-технической конференции, г. Брянск, 9 - 20 мая 2011г.- Брянск: 2011 — 349 с. С. 130-132.

Изд. лиц. ЛР №020300 от 12.02.97. Подписано в печать^ Формат бумаги 60x84 '/|6. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ ОбВ Тульский государственный университет 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92 Отпечатано в издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, пр. Ленина, 95

61 12-5/1836

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи КОРНЕВА МАРИЯ ИГОРЕВНА /

РЕЖУЩЕ-ВЫГЛАЖИВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТОНКОСТЕННЫХ ЛАТУННЫХ ЗАГОТОВОК

Специальности: 05.02.07 «Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки» 05.02.23 «Стандартизация и управление качеством продукции»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В. Б. Протасьев

Тула 2011

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ПОИСКИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ... 9 ШЕСТИГРАННОЙ ЛАТУННОЙ ГАЙКИ.........................................................9

1.1 Обоснование процесса протягивания для отделочной обработки шестигранной гайки............................................................................................11

1.2 Выбор схемы протягивания............................... ...........................................11

1.3 Разработка конструкции комбинированного инструмента

для протягивания гайки на гидравлическом прессе...............................13

1.4 Описание работы комбинированного режуще-выглаживающего

инструмента...............................................................................20

Выводы к главе 1.................................................................................................22

ГЛАВА 2. ПОДГОТОВКА МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРИТЕРИЯ Г. ТАГУТИ.

ПОИСКОВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ...................................................................24

2.1 Постановка задачи.........................................................................................24

2.2 Этапы робастного проектирования.............................................................26

2.2.1 Этап 1. Составление перечня функциональных характеристик, управляемых параметров и источников помех................................................27

2.2.2 Этап 2. Планирование эксперимента......................................................28

2.2.3 Характеристики управляемых параметров..............................................28

2.2.3.1 Влияние охлаждения на качество обрабатываемой

поверхности..........................................................................................................28

2.2.3.2 Материал рабочих элементов.................................................................31

2.2.3.3 Влияние переднего угла на процесс обработки...................................34

2.2.3.4 Влияние заднего угла режущей секции на процесс обработки..........35

2.2.3.5 Влияние скорости резания на процесс обработки..............................37

2.2.3.6 Припуск (односторонний) на обработку режущими

элементами...........................................................................................................38

2.2.3.7 Припуск (односторонний) на обработку выглаживающими элементами...........................................................................................................39

2.2.3.8 Выбор диаметра пуансона на процесс обработки................................46

2.2.4 Этап 3. Определение влияния дестабилизирующего параметра...........53

Выводы к главе 2.................................................................................................55

ГЛАВА 3. ПРОВЕДЕНИЕ ОСНОВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.ОЦЕНКА УЛУЧШЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ УПРАВЛЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ....................................................................................................56

3.1 Проведение основного эксперимента.........................................................56

3.2 Анализ результатов эксперимента...............................................................60

3.2.1 Поиск параметров, изменяющих среднее значение.

Поиск Т-критерия (критерия «сигнал/шум»)...................................................61

3.2.1.1 Функция потерь.......................................................................................61

3.2.2 Анализ разброса выходных характеристик................... ..........................81

3.2.3 Анализ полученных результатов..............................................................87

Выводы к главе 3.................................................................................................88

ГЛАВА 4. ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ШЕСТИГРАННОЙ ГАЙКИ КОМБИНИРОВАННЫМ ИНСТРУМЕНТОМ 89

4.1 Изменение конструкции отливки................................................................89

4.2 Условие прочности заготовки......................................................................90

4.3 Проектировочный расчет заготовки............................................................91

4.3.1 Напряжение и деформации при растяжении...........................................91

4.3.2 Определение допускаемого напряжения при..........................................93

осевом растяжении гайки...................................................................................93

4.4 Определение новых размеров заготовки....................................................97

4.5 Усовершенствование специального инструмента.....................................99

4.5.1 Определение погрешности сборки инструмента^ применением координатно-измерительной машины_Мога мод. HBG Pico...........................99

4.5.2 Модернизация системы охлаждения......................................................111

Выводы к главе 4...............................................................................................114

Основные результаты и выводы......................................................................115

Список литературы............................................................................................117

ВВЕДЕНИЕ

При производстве водоразборной арматуры значительная часть времени затрачивается на отделку видимых наружных поверхностей деталей для придания им товарного вида. К отделочным операциям относятся полировка и нанесение защитно-декоративных гальванических покрытий. Для ряда деталей трудоемкость полировки составляет от 50 до 70 % от общей трудоемкости их изготовления. Полировальные операции характеризуются тяжелыми условиями труда и повышенной вредностью; соответственно, заработная плата полировщиков достаточно высокая; тем не менее, дефицит квалифицированных работников на участке полировки является серьёзной проблемой для предприятий.

Из вышесказанного следует, что отыскание принципиально новых технических решений по отделочной обработке деталей смесителей, при сохранении необходимого качества поверхности, является актуальной производственной и научно-технической задачей.

В качестве объекта для проведения исследовательских и опытно-конструкторских работ была выбрана деталь «гайка соединительная», вид которой представлен на рис.В.1. Изделие (смеситель для ванны), в которое входит эта деталь, выпускается тульским заводом ООО «Аркон», специализирующимся на выпуске водоразборной арматуры.

Материал детали - латунь Лц40Сд; заготовка получается литьем под давлением в многоместные пресс-формы. Затем на детали нарезается внутренняя резьба М27х1,5 с базированием заготовки по наружной поверхности, и гайка поступает на участок полировки. Здесь на одну оправку «нанизывается» 21 гайка, и вся кассета закрепляется в осевом направлении. Полировщик обрабатывает последовательно 6 граней на всём блоке; причем технология полировки включает 3 операции: предварительная «обдирка» на войлочных кругах с абразивом и окончательная отделка на хлопчатобумажных кругах до

зеркального блеска. В результате трудоёмкость полировки одной гайки составляет 6 мин. при программе выпуска более 1000000 деталей в год.

Автором данной работы был предложен высокопроизводительный метод отделочной обработки наружной поверхности латунных гаек, позволяющий получить не только поверхность с хорошими показателями шероховатости, но и обеспечить правильность её геометрии.

Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным с точки зрения правильности технологии механической обработки детали. Как уже указывалось, при нарезании резьбы гайка базируется в приспособлении по наружной необработанной поверхности; причём специфика отливок, получаемых литьем в пресс-формы, такова, что не обеспечивает правильность и идентичность геометрической формы заготовок. В результате может иметь место несоосность наружной и внутренней поверхностей, перекос резьбы, и даже проворот заготовки в приспособлении при обработке.

Полировка не исправляет, а лишь усугубляет этот недостаток, так что при действующей на предприятии технологии нарезать резьбу после полировки не имеет смысла. Если же отделочная обработка обеспечит стабильную правильность и идентичность базовых поверхностей, то в этом случае нарезание резьбы после такой обработки становится целесообразным; более того -создаются все предпосылки для автоматизации процесса резьбонарезания.

Общая идея заключалась в том, что метод обработки должен приближаться к процессу контурного протягивания. Охватывающее протягивание является мало исследованным процессом. Им занимались в своих работах За-харенко А.И., Бекаев A.A., Соловьев С.И., Протасьев В.Б., Анисимова М.А., Канцев П.Г., Терехов Н.В., Лемаков В.Д., Цегельнин В.П., Мельников П.А., Скиженок П.А. и др., однако обработка таким методом тонкостенных заготовок ранее не использовалась.

Процесс классического протягивания был опробован на токарном

станке. Плоская наружная протяжка с наклонным зубом устанавливалась в

резцедержателе вдоль оси центров станка; гайка помещалась в специальной

5

обойме, которая закреплялась в патроне. В обойме было предусмотрено освобождение для прохода протяжки, при этом верхняя плоскость освобождения служила направляющей при продольной подаче инструмента.

Однако опытные работы показали, что следы режущих зубьев, практически неразличимые на латуни, становятся заметными после покрытия; таким образом, необходимость выглаживающих элементов стала очевидной.

С учетом особенностей протягивания замкнутых профилей инструмент должен представлять собой сочетание наружной режуще-выглаживающей прошивки и штампа. Необходимо было провести исследования, позволяющие определить конструкцию инструмента, режимы обработки и оборудование, на котором будут проводиться испытания.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в разработке комбинированного инструмента, обеспечивающего заданную шероховатость поверхности и уточняющего геометрические параметры тонкостенных литых заготовок, а также в обосновании критерия качества для оценки выходных характеристик процесса обработки.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработать секционный режуще-выглаживающий инструмент, позволяющий исправлять дефекты тонкостенных латунных заготовок .

2. Разработать методику расчета натягов на первой секции инструмента, калибрующей заготовку и обеспечивающей её беззазорную посадку на цилиндрическом толкателе для повышения жесткости технологической системы.

3. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования режуще-выглаживающего инструмента с использованием метода робастного проектирования для установления рациональных значений его конструктивных и технологических параметров.

4.Установить критерий для оценки результатов проведенных опытов, объединяющий две выходные характеристики (несоосность и шероховатость) и учитывающий потери на дальнейших операциях обработки гаек.

5. Оценить точность сборки режуще-выглаживающего инструмента с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) с целью регулировки взаимного положения рабочих элементов.

6. Применить результаты исследований в промышленности и учебном

процессе.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические исследования базируются на робастном проектировании по методу Г. Тагути, позволяющему минимизировать число опытов, определить тенденцию изменения качества процесса и применить элементы дисперсионного анализа.

Экспериментальные исследования по разработанной методике проводились с использованием в качестве оборудования гидравлического пресса РН-М 100h. Измерения выполнялись с применением современных средств контроля - профессионального прибора для контроля шероховатости HOMMEL TESTER W55 и координатно-измерительной машины фирмы Mora модель HBG Pico.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. С использованием робастного проектирования теоретически и экспериментально обоснована конструкция режуще-выглаживающего инструмента для обработки наружных базовых поверхностей у тонкостенных литых латунных заготовок методом охватывающего протягивания с предварительной калибровкой заготовок (спец. 05.02.07).

2. Разработан критерий, основанный на монотонно возрастающей функции потерь и позволяющий выбрать рациональный опыт для определения значений технологических и конструктивных параметров режуще-выглаживающего процесса. Предложенный критерий, в отличие от известных, позволяет оценить два выходных показателя качества изделия - несоосность наружной и внутренней поверхностей и шероховатость наружной поверхности (спец. 05.02.23).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

1. Создан процесс высокопроизводительного охватывающего протягивания литых латунных заготовок с предварительной калибровкой заготовок, установленных беззазорно на пуансоне, обеспечивающий уточнение формы.

2. Обеспечена возможность снижения припусков на обработку внутренней поверхности путем минимизации ее несоосности с базовой поверхностью.

3. Разработана методика для определения натяга в калибрующей секции, обеспечивающей беззазорную посадку заготовки на толкателе (пуансоне) перед началом протягивания.

ГЛАВА 1. ПОИСКИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКИ ШЕСТИГРАННОЙ ЛАТУННОЙ ГАЙКИ

Параметры шероховатости поверхности деталей устанавливают с учетом вида и назначения применяемых гальванических покрытий. Так блестящие покрытия следует осаждать на поверхность, параметр шероховатости которой Яа должен быть не выше 0,2 - 0,1 мкм по ГОСТ 2789-81.

Основными способами механической обработки в гальваническом производстве являются шлифование абразивными кругами и лентами, галтовка в барабанных и вибрационных установках, кварцевание, виброобработка, струйная абразивная и гидроабразивная обработка. Абразивным шлифованием можно сгладить грубые шероховатости, блеск поверхности можно получить только полированием [1]. Этот процесс выполняется с использованием специальных паст, наносимых на мягкий эластичный круг, и сопровождается весьма небольшим съемом металла.

С учетом сказанного, при проектировании инструмента ставилась задача получить поверхность не только с заданными геометрическими параметрами, но и с чистотой, которую обеспечивает абразивное шлифование, при этом значительно повысить производительность обработки. Такой инструмент должен ободрать отливку, удалив толстый слой окалины и продуктов коррозии. Инструмент должен, кроме того, сглаживать микронеровности, устранять мелкие риски и раковины.

Обрабатываемая поверхность является совокупностью плоскостей (рис. 1.1). Придание материалу необходимых размеров, формы, свойств может быть достигнуто многими видами обработки. Это и шлифование, и хонинго-вание, и притирка, и полирование, и протягивание [2, 3]. Кроме того используются также методы обработки металлов давлением [4].

При выборе метода, позволяющего решить поставленную задачу, нужно помнить не только о качестве полученной детали, но и о состоянии заготовки. Желательно, чтобы не требовалось какой-либо предварительной обра-

ботки, а все необходимые операции обеспечивались используемым инструментом. Такой принцип увеличит производительность, а следовательно, снизит затраты на производство детали.

Рис. 1.1 Гайка соединительная

Это обстоятельство существенно сокращает число подходящих методов, так как большинство из них предъявляет довольно высокие требования к заготовке; причем предпочтительным является тот вариант, который не потребует закупки нового дорогостоящего оборудования.

Учитывая все налагаемые предприятием ограничения в выборе методов, принимая во внимание состояние литой заготовки и требования к получаемой детали, наиболее подходящим вариантом представляется протягивание гайки по наружной поверхности с применением гидравлического пресса.

1.1 Обоснование процесса протягивания для отделочной обработки

шестигранной гайки

Протягивание - высокопроизводительный процесс обработки, обеспечивающий получение изделий высокой точности (до 6-го квалитета) с высоким качеством обработанной поверхности (Яа до 0,32 мкм).

Особенности процесса протягивания следующие:

1) наличие только одного главного движения; отсутствующее движение подачи компенсируется расположением режущих зубьев (каждый последующий зуб выше предыдущего), разница в их положении и является подачей на зуб, она достигает 0,5 мм, что позволяет использовать для протягивания пресс;

2) малая толщина и элементность образуемой при протягивании стружки, облегчающие ее удаление;

3) одновременное участие в резании значительного числа зубьев;

4) совмещение черновой, чистовой и отделочной обработки, что увеличивает производительность и удешевляет производство детали;

5) точность обработки определяется точностью исполнения инструмента, что позволяет получать детали с одинаковыми геометрическими параметрами; такие заготовки уже можно использовать для резьбонарезных автоматов;

6) припуск при протягивании ограничен длинной протяжки и ее размерами.

1.2 Выбор схемы протягивания

По назначению протяжки можно подразделить на две группы - для внутреннего и для наружного протягивания. Каждая группа включает самые разнообразные виды протяжек, соответствующие различной форме обрабатываемых поверхностей. По конструктивному выполнению протяжки могут быть цельными и