автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение точности токарной обработки тонкостенных сварных корпусов на основе учета упругих деформаций

На правах рукописи

ЧУПРИКОВ АРТЁМ ОЛЕГОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ СВАРНЫХ КОРПУСОВ НА ОСНОВЕ УЧЕТА УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 6 СЕН 2013

Тула-2013

005533266

005533266

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Иванов Валерий Васильевич,

Официальные оппоненты: Маликов Андрей Андреевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «Технология машиностроения», заведующий кафедрой.

Красильников Виктор Михайлович, кандидат технических наук, ООО КПФ «Движение» (г. Тула), заместитель директора по техническим вопросам.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Юго-Западный госу-

дарственный университет» (г. Курск).

Защита диссертации состоится «22» октября 2013 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного Совета 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу:

300012, г. Тула, проспект Ленина, д. 92, 9-101.

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

Автореферат разослан «18» сентября 2013 г. Ученый секретарь Л? Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

В современном машиностроении, начавшийся подъем промышленного производства, требует возрастающего выпуска прецизионных машин и механизмов. Производство таких.изделий неразрывно связано с ростом объема изготовления деталей высокой точности, которые широко используются в станкостроительной, ракетостроительной и др. отраслях промышленности. При этом основные технологические затруднения возникают при обработке деталей нежесткой конструкции, в том числе и тонкостенные. Особенно это проявляется при обработке сборок, в которых к тонкостенному корпусу приварены дополнительные элементы, служащие для базирования в изделии.

В большинстве случаев, такие сборки подвергаются термообработке и обладают повышенной поверхностной твердостью, что затрудняет их обрабатываемость. При обработке нежестких сборок применение финишных операций с использованием абразивных инструментов может вызвать температурную деформацию и увеличить погрешность обработки. Лезвийная обработка твердым сплавом позволяет избежать указанных явлений и дает возможность снизить температуру в зоне резания.

Фундаментальные основы точности обработки с учетом технологической наследственности базируются на работах Соколовского А.П., Дальского A.M., Васильева A.C. Отдельные вопросы точности при обработке тонкостенных деталей рассматривалось в работах: Ямникова A.C., Киселева В.Н., Кузнецова В.П. и Красильникова В.М. В некоторых случаях тонкостенные сборки имеют конструктивные особенности, снижающие технологичность, например наличие концентрично расположенного кольца, которое посредством перемычек жестко связано с основной корпусной частью сборки. Это оказывает дополнительное влияние на величину погрешностей формы при обработке внутренних полостей таких сборок. Для соединения секций таких сборок в изделие широко применяют резьбовые замковые соединения. Профиль усиленной упорной резьбы, наиболее применяемый для рассматриваемого класса изделий, имеет малый радиус закругления во впадинах резьбы до 0,05 мм для резьб с шагами от 1,5 до 3 мм. Это обстоятельство затрудняет стабильное получение требуемых параметров резьбы и снижает стойкость режущего инструмента. Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность обработки и снижающих трудоемкость изготовления, тонкостенных деталей, имеющие конструктивные особенности, является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в снижении брака по параметрам точности поперечного сечения тонкостенных корпусных деталей при их закреплении в 3-х кулачковых патронах.

Для достижения поставленной цели в диссертации были определены следующие задачи:

1. Выявить причины брака, возникающего при токарной обработке тонкостенных сварных корпусов.

2. Провести компьютерное моделирование погрешностей обработки в продольных и поперечных сечениях.

3. Обосновать конструктивные параметры технологической оснастки, приводящие к уменьшению погрешностей обработки в продольном и поперечном сечениях сварных корпусов.

4. Оптимизировать схему нарезания резьбы полнопрофильными СМП с учетом низкой жесткости и высокой твердости сварных корпусов.

5. Внедрить результаты исследований в производство.

Объект исследования. Процессы механической обработки тонкостенных сварных корпусов.

Предмет исследования. Операции точения и резьбонарезания поверхностей тонкостенных деталей и сварных корпусов.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории технологии машиностроения, технологической наследственности, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование проводилось в программных продуктах БоШи^огкз и Апзуэ. Экспериментальные исследования произведены в производственных условиях на ОАО «Тульский оружейный завод». Приведенные измерения проводились с применением аттестованных средств измерений.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, в обработке и интерпретации результатов, формулировке выводов. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, касающиеся процессов токарной обработки тонкостенных корпусных деталей.

Автор защищает:

- результаты компьютерного моделирования погрешностей закрепления с учетом влияния концентричного кольца, приваренного к тонкостенной корпусной детали, и ее ориентации при закреплении в патроне станка;

- результаты экспериментальных исследований погрешностей закрепления, подтверждающие их адекватность компьютерному моделированию;

- конструкции зажимной оснастки и специальных режущих инструментов, обеспечивающие погрешности формы обрабатывающих деталей в осевом и поперечном сечениях в пределах допуска;

- новый способ и схему нарезания упорной резьбы на тонкостенных заготовках из высокопрочных сталей;

- технологию изготовления тонкостенных корпусных деталей на станках с ЧПУ, позволяющий снизить брак до 5 %.

Научная новизна работы заключается в обосновании конструкций зажимных кулачков трехкулачковых патронов и способов установки в них сборок тонкостенных деталей, уменьшающих погрешности токарной обработки в продольном и поперечном сечениях на основе:

- разработки конструкции широких кулачков с двойной расточкой по предельным диаметрам центрирующей базовой поверхности сварного корпуса;

- использования явления интерференции сформированных в разных угловых фазах профилей поперечного сечения детали путем изменения ее угловой ориентации в патроне станка на операциях черновой и чистовой обработки;

- повышения жесткости технологической системы введением дополнительного элемента в полость детали (корпуса), ограничивающего ее (его) упругое деформирование при закреплении.

Практическая ценность работы.

- даны рекомендации по повышению точности процесса токарной обработки тонкостенных деталей и сварных корпусов на основе предложенных технологических решений;

- предложены способ и схема нарезания упорной резьбы, позволяющие снизить расход инструментального материала более чем в 2 раза и повысить стойкость инструментальной наладки;

- разработан комплект технологической оснастки и инструментов для операции чистовой обработки наружных и внутренней поверхностей тонкостенных деталей и сварных корпусов, позволяющий снизить процент брака в 4 раза.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ТОЗ». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения» раздел «Погрешность закрепления», при подготовке магистров по дисциплинам «Прогрессивные технологии резьбообработки» и «Научные основы технология машиностроения». Также они используются при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ бакалавров и специалистов, магистерских диссертаций по направлению 151900 - «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ВНПК «Актуальные проблемы техники и технологии машиностроительного производства», Орел, 2012 г.; на VI МНТК «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», Пенза, 2010 г., на МНТК «Технические науки: традиции и инновации», Челябинск 2012г; на ХХХХ1 Всероссийском Симпозиуме «Механика и процессы управления», Миасс 2011 г, на IV МНТК «Молодежь и XXI век», Курск 2012г; на МНТК «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии», Липецк 2012г, на ВНТК «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула 2012г, а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009-2012г.г.

За комплекс работ по созданию технологических решений по повышению эффективности обработки тонкостенных деталей автор в 2012 г. был удостоен звания лауреата регионального конкурса «Инженер года 2012».

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 статьях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК, также имеется 1 патент РФ и 3 заявки на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 75 наименований и приложения, включает 115 страниц машинописного текста 89 ил., 2 табл. Общий объем 180 с.

ОБЗОР СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ Введение. Содержится обоснование актуальности темы диссертации, сформулированы цели и задачи, определены научная новизна и практическая значимость, выделены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется состояние вопроса в производстве деталей типовых тонкостенных деталей и технических требований, предъявляемых к их качеству. Отмечается, что повышение точности и производительности токарной обработки является весьма важной производственной задачей, причем ее решение особенно актуально для нарезания внутренней и наружной резьбы и чистовой обработки. Фундаментальные основы точности обработки с учетом технологической наследственности базируются на работах Соколовского А.П., Дальского А.М., Васильева A.C. Отдельные вопросы точности при обработке тонкостенных деталей рассматривалось в работах: Ямникова A.C., Киселева В.Н., Кузнецова В.П.. Предшествующие работы не использовали в исследованиях деформирования деталей программы трёхмерного моделирования. Поэтому актуально в настоящее время применять SolidWorks и Ansys для компьютерного моделирования в решении подобных задач. В диссертации приводится анализ технологии изготовления сборки «Корпус» (рис. 1).

Сборные шВы 1

' ЩЩ

f «г—h

Б !

iL

..........^ А..... 211

А 21

Материал: Сталь ВП-25. Твердость 1ЖС48. Механические свойсша: ов=1500 МПа; а0,= 12ОО Мпа. 15 I : ГШИ/: Технические требования:

3 - у! {.Расточить поверхность Б и нарезать резьбу СГ1.УП.104хЗ за один уставов.

Отклонения.формы размера *Г05мм: допуск круглости 0,07мм; цилиндричности 0,07мм; профиля продольного сечения 0,07мм; перпендикулярности 0,05мм.

Рисунок 1 - Конструкция типового тонкостенного сварного корпуса

Низкая жесткость подобных корпусов приводит к тому, что под действи-

ем сил закрепления и сил резания, наблюдаются значительные деформации, вызывающие образование погрешностей формы в продольном и поперечном сечениях При изготовлении таких изделий широко применяют высокопрочные или сверхпрочные стали типа ВП-25, ВП-28 и т.п. с пределом прочности после термообработки свыше 1800 МПа. Для устранения влияния поводок окончательную механическую обработку основных и вспомогательных базовых и исполнительных поверхностей, в том числе и нарезание резьбы, производят после термообработки. Профиль усиленной упорной резьбы, широко применяемый для рассматриваемого класса изделий, имеет малый радиус закругления уголков впадины от 0,05 до 0,19 для резьб с шагами от 2 до 3 мм.

Для обеспечения точности такого класса деталей, кроме существующих типовых рекомендаций, следует учитывать и индивидуальные конструктивные особенности обрабатываемых деталей. Так, для сварного корпуса, представленного на рис 1 такой особенностью является наличие концентрично расположенного кольца, которые посредством 3 - х перемычек жестко связано с основной корпусной частью сборки. С другой стороны торца имеются три «лапки» (поз 1 рис. 1), которые выходят за наружный диаметр корпуса.

Известным решением для закрепления тонкостенных корпусов являются цанговые патроны. Однако, из - за конструктивных особенностей данного сварного корпуса их применение невозможно. Поэтому закрепление проводят в 3 - х кулачковом патроне со специальными охватывающими кулачками. Их наличие позволяет уменьшить величину неизбежной огранки в поперечном сечении тонкостенного сварного корпуса. Тем не менее, на первых этапах при отработке технологии изготовления данного корпуса на станке с ЧПУ модели 16А20ФЗС49 величина этой погрешности достигала 0,12 мм, что превышает допустимое значение 0,07 ммд

Оценка качества изготовленной продукции (рис. 2) показывает, что усредненная доля годных сварных корпусов (без отклонений по всем размерам), составляет 50%. Сварные корпуса с исправимым браком составляют 30%. Из них 12% требуют исправления, по внутренней резьбе, 18%- испра- PucynQK 2-Анализ годности сварных корпусов вимого по огранке 0105 п0 существующей технологии ММ. 1Д

Около 20% сварных корпусов получаются с неисправимым браком. Из

них 10 % составляет отклонение по резьбе. В конце главы формулируется цель

работы и задачи исследования.

Во второй главе описываются результаты компьютерного моделирования процессов деформирования при зажатии тонкостенного сварного корпуса в

патроне. Объектом исследования является тонкостенная сборка, представленная на рис. 1. Перед началом моделирования были выделены шесть характерных схем, возможных при закреплении сборки в патроне станка (рис. 3).

(2) ц >

А

А

Рисунок 3 - Возможные варианты контакта сварного корпуса с кулачками патрона: I - II - III - Ядет<И^; IV- сварной корпус

с овальностью; V— сварной корпус с огранкой;

VI- кулачок с двойной расточкой

Из первой схеме установки сварного корпуса видно, что прилагаемая нагрузка распределяется равномерно по всей периферии технологической базы. По второй и третьей схеме установки сварного корпуса показано несоответствие радиуса Ядет технологической базы корпуса 1 и внутреннего радиуса К.,^ расточки специальных охватывающих секторов 2. Данные схемы близки к пятой, где трехгранная форма в поперечном сечении технологической базы, способствует концентрированию зажимной силы по периферии технологической базы в трёх точках. Четвертая схема учитывает погрешность технологической базы сварного корпуса 1 в виде овальности. Пятая схема учитывает погрешность технологической базы сварного корпуса 1 в виде огранки. Шестая схема предполагает конструкцию зажимной поверхности кулачка с двойной расточкой — по максимальному и минимальному диаметру базовой поверхности корпуса (рис. 4), при этом минимальные упругие деформации корпуса будут уменьшены.

Рисунок 4 — Кулачок с двойной расточкой

Проведенное моделирование по этой схеме показало, что сварной корпус равномерно сжался и перемещения стенок его составили значительно меньше, чем другие по другим схемам. Значение силы V/' от кулачкового патрона необходимое для проведения моделирования определяли по зависимости:

= [Н]; где Р: = -10 [Н].

Компьютерное моделирование проведено в среде ЗоКсПЛ<гогк5 (рис. 5), которое показывает, что наибольшая погрешность формы в поперечном сечении наблюдается у торцов сварного корпуса, а по мере удаления от них, на длину примерно 30 мм, эти погрешности становятся практически незначимыми. То есть она сосредоточена именно на тех участках, где требования наиболее высокие. Внутренняя поверхность представлена совокупностью таких погрешностей, как седлообразность и бочкообразность.

Рисунок 5 - Примеры использования ЯоШНУогкь для решения задач по упругим деформациям

Минимальные значения диаметра внутренней поверхности приходятся на сечения, в которых происходит контакт заготовки с зажимными элементами приспособления, а максимальные значения - в средней части и у торцов сварного корпуса (рис. 6).

после закрепления после раскрепления

Рисунок 6 - Погрешность формы сварного корпуса по результатам моделирования по схемам: а) I; б) IV

Величина погрешностей формы в продольном сечении связаны с переменной жесткостью стенок сварного корпуса, изменяющейся от максимальной в местах соединения перемычек с корпусной частью сборки, до минимальной между перемычками. Проведенными измерениями установлено, что средняя величина упругого деформирования профиля поперечного сечения на зажимной технологической базе (0105 мм) составляет 0,045 мм. По результатам компьютерного моделирования предложена схема упругих деформаций профиля поперечного сечения сварного корпуса с исходной овальностью технологиче-

Рисунок 7- Форма поперечного сечения сварного корпуса в различном состоянии: а) до закрепления; б) после закрепления; в) после обработки; г) после раскрепления

Как видно из схемы, при зажиме сварного корпуса, эта погрешность переходит на внутренние обработанные поверхности (расточенный диаметр и нарезанная резьба СП.УП. 104x3). Получившийся овал в поперечном сечении сварного корпуса на диаметре 0105+о,°7 мм выходит за пределы поля допуска на 0,082 мм. Обработанная внутренняя резьба также деформируется, что приводит к образованию погрешности по шагу, а также конусообразности в продольном сечении до 0,06 мм. Показано, что упругие деформации поперечного сечения на 0 Ю5+0'07 мм сварного корпуса при его закреплении по схеме IV превышает допустимые нормы в 1,3 раза.

В третьей главе рассмотрена существующая технология обработки сварного корпуса. Проанализированы результаты проведения экспериментов в сравнении с их компьютерным моделированием.

Показано, что не меньшее влияние на точность, оказывают внутренние напряжения в тонкостенной сборке после сварных операций. Несмотря на то, что термическая обработка и правильное ведения сварочного процесса ослабляют их влияние для минимизации данного явления, необходимо разделять черновое и чистовое растачивание и выполнять их как самостоятельные операции. Однако, обработка в такой стадийности не позволила радикально уменьшить упругие деформации поперечного профиля с отклонением от круглости ОД мм, что превышает допустимые пределы. Предложено техническое решение, которое заключается в том, что после чернового растачивания сварной корпус закрепляют в патроне с поворотом на 120° (рис. 8,а) и осуществляют чистовое растачивание с последующим нарезанием резьбы. После такой обра-

ботки наблюдается огранка в форме овала с отклонением 0,05 мм.

В данном процессе преобладает явление копирования погрешности -наследование. Неоднозначность силы резания по перемещению является следствием неоднозначности изменения толщины срезаемого слоя.

Ориентирующая метка

на патроне и на сварном корпусе совмещены

Ориентирующая метка на патроне

а)

Рисунок 8 - Ориентация сварного корпуса в патроне станка (а) и интерференция профилей поперечного сечения после обработки (б)

Погрешность формы поперечного сечения сварного корпуса в этом случае будет представлять сумму размахов колебаний инструмента и заготовки в нормальном к ней направлении, т.е. сумму измеренных в том же направлении диаметров их эллиптических траекторий. После раскрепления сварного корпуса получаемая овальность накладывается на такую же овальность, но в другом направлении (рис.8,б). При этом форма поперечного сечения сварного корпуса получается близкой к окружности. Данное решение наиболее эффективно при обработке сварных корпусов по схеме IV, представленной на рис. 3.

Такой механизм упругих деформаций профиля в поперечном сечении сварных корпусов на внутреннем пояске диаметром 01О5+0'07 мм хорошо подтверждается результатами измерения с применением КИМ (рис. 9).

Ориентирующая метка •потачки на патроне

ir

Ориентирующая, метка на сварном корпусе

-поле допуска;.

_- круглограмма на размер 0105+0,07мм.

Рисунок 9 - Круглограмма внутреннего 0105 ' мм после чернового и чистового растачивания: а) за одну операцию - А—0,15 мм; б) за две операции с переустановкой с поворотом на 120° - А=0,043 мм

Достоверность результатов компьютерного моделирования также подтверждается их совпадением с результатами эксперимента. Наряду с геометрическими погрешностями рассматриваемого процесса было изучено влияние на точность обработки кинестетических погрешностей, обусловленных упругими деформациями А технологической системы под действием зажимной силы Р от кулачков патрона.

Перед началом проведения эксперимента были выделено несколько схем нагрузки на сварной корпус (рис. 10). Измерение прилагаемой нагрузки проводилось динамометром модели ДС - 0,2. Жесткостные характеристики элементов технологической системы снимались по

стандартной методике. При сравнении тс

экспериментальных результатов и ком- Рисунок 10 - Схема

пьютерного моделирования можно ска- экспериментального определения

зать, что они имеют схожий характер. уПругШС "еРеме«<ений стенки

сварного корпуса

Четвертая глава посвящена специфическим аспектам внедрения процесса нарезания резьбы на станках с ЧПУ одновременно с другими токарными переходами. В частности рассмотрены вопросы унификации инструментов, устанавливаемых в револьверную головку станка, обеспечение совпадения профилей калибрующего и чернового резца при последовательном нарезании резьбы двумя резьбовыми твердосплавными пластинами, максимальному использованию режущих свойств инструмента, проектирование технологической оснастки для минимизации погрешности формы поперечного сечения. По действующей технологии нарезание резьбы СП.УП. 104x3 осуществляется резцом AVRC25D-4 фирмы VARDEX с СМП специальной формы 4IR3.0SAGE из сплава VKX (Р1-10,Ml 1-18,К28-33,N34-40,S19-24,H25-26) со скоростью резания V=50 м/мин за 29 проходов.

При этом стойкость одной вершины составляет 10 единиц сборок. Для увеличения стойкости инструмента разработана комбинированная схема нарезания резьбы, с использованием 2 - х резцов: чернового и чистового. При этом СМП, затупленные до величины их допустимого износа на чистовых проходах переводятся в разряд черновых и переставляются на соответствующую резцовую державку (рис. 11). Проведенная экспериментальная проверка этого предложения

показала, что количество обработан- Рисунок п _ Схема вырезания про. ных сварных корпусов одной верши- филя резьбы двумя СМП

Чиповые проходы feg-Zf

Новая СМП

0.05

Изношенная СМП

зона износа Ы 25 ^Черновые проходы

ной увеличилась до 20 по сравнению с базовым вариантом технологии. После вой резец ее стойкость составила также работана комбинированная

Ее снабжают двумя посадочными гнёздами, расположенными на одном уровне на противоположных частях державки, в которых осесимметрично закреплены режущие твердосплавные пластины, повёрнутые относительно друг друга на 180° (рис. 12). Для уменьшения упругих деформаций профиля сварного корпуса при закреплении в трехкулачковом патроне разработана дополнительная оснастка, в которой цанга используется как устройство, помещенное в полость детали. В результате этого, при закреплении в зоне сжатия стенки формируется встречное усилие (рис. 13). Это позволяет минимизировать величину погрешности форм поперечного сечения без переустановки на 120°.

перестановки этой вершины на черно-20 единиц сборок. На этой основе раз-резьбовая державка.

Черновая СМИ Чистовая СМИ

Рисунок 12 - Комбинированная схема нарезания резьбы, с использованием 2-х резцов: чернового и чистового

корпуса в патроне станка с поворотом

зона сжатия

а) б)

Рисунок 13 -Разжимная цанга (а) и схема ее установки (б) в сварном корпусе

При нарезании наружной резьбы сталкиваются с похожими проблемами. Подобные сварные корпуса целесообразно изготавливать на современных то-карно - фрезерных центрах, например, INDEX G-200. В данном станке имеются два шпинделя и две револьверные головки с поддержкой многоинструментальной обработки, в которой одновременно могут работать два инструмента.

Техническое предложение состоит в том, что нарезание резьбы в изделиях производят изношенной пластиной в первой револьверной головке, оставив припуск для чистовых проходов новой пластиной на второй револьверной головке (рис. 14).

Процесс осуществляется одновременно, сместив черновой резец на пол —

шага резьбы. Также возможно последовательное нарезание резьбы. Выбор схем нарезания происходит путем ввода программы в станок. После внедрения технических предложений процент годной продукции составляет 85%.

Количество корпусов, которые подлежат дальнейшей доработке по форме профиля поперечного сечения размера 0 105 мм, составило 10% (рис. 15).

Черновая СМИ

I

Чистовая СМП Рисунок 14 — Нарезание наружной резьбы двумя резцами

Годные

Исправимый Неисправимый

браК" врак

ДйаиётрТ335 ' Диаметр"1*05"

•{огрзмкз)--------------------^o/pa^-utaj................

\ Резьба I Резьба

2%| ДЗ:

Прсцгпгы брака

Рисунок 15 - Анализ годности сварных корпусов по результатам внедрения

Количество корпусов с неисправимым браком составляет 5%, что вполне допустимо в условиях ОАО «ТОЗ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертации решена важная для современного машиностроения научная задача: технологическое обеспечение точности токарной обработки тонкостенных сварных корпусов на основе учета упругих деформаций, обосновании рациональной конструкции зажимных приспособлений, использования явления интерференции остаточных погрешностей и оптимизации схемы нарезания резьбы. По результатам выполнения работы можно сделать следующие выводы:

1. В результате проведенного анализа установлено, что при изготовлении тонкостенных сварных корпусов по старой технологии в действующем производстве 50% корпусов не соответствуют требованиям по точности внутренних отверстий и резьбы, 20% из которых являются сборки неисправимого брака.

2. Компьютерное моделирование в среде ЗоПс1\¥огкз позволило теоретически обосновать принцип уменьшения систематических погрешностей профиля поперечного сечения тонкостенных сварных корпусов, возникающих при их закреплении в трехкулачковых патронах с широкими кулачками.

3. Анализ результатов компьютерного моделирования, показал, что наибольшая погрешность формы в поперечном сечении (овальность, седлооб-разность и бочкообразность) наблюдается у торцов корпусов, как с перемычками, так и без, а по мере удаления от них, на длину примерно 30 мм, эти погрешности становятся меньше.

4 .Обоснована конструкция зажимной поверхности кулачка с двойной расточкой - по максимальному и минимальному диаметру базовой поверхности корпуса, минимизирующая упругие деформации корпуса при закреплении.

5 Установлено, что минимальные значения диаметра внутренней поверхности приходятся на сечения, в которых соединяются перемычки с корпусом, а максимальные значения - в средней части и у торцов корпуса.

6 Показано что при равномерном распределении нагрузки на весь базовый диаметр сварного корпуса, упругое восстановление после его раскрепления из патрона станка на 960 секунде будет составлять 0,0018 мм на внутренний радиус.

7 Экспериментальными исследованиями подтверждена адекватность результатов компьютерного моделирования. Это позволяет прогнозировать ожидаемую погрешность обработки, на стадии проектирования технологической операции.

8 Разделение черновой и чистовой операции на самостоятельные с переустановкой корпуса в патроне станка с поворотом на 120° уменьшает процент брака по огранке растачиваемой поверхности в 2,25 раз.

9. Новый способ нарезания внутренней резьбы и конструкция резьбооб-разующего инструмента позволяют повысить ресурс одной вершины резьбовой СМП в 2 раза.

10. Разработанные технологические рекомендации использованы в технологии обработки тонкостенного сварного корпуса на станке с ЧПУ и приняты к внедрению в условиях ОАО «Тульский оружейный завод», что позволило сократить неисправимый брак в 4 раза (до 5%).

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Чуприков А.О., Иванов В.В. Повышение точности токарной обработки тонкостенных деталей // Вестник машиностроения. №6, 2012. С. 60 -61.

2 Чуприков А.О. К вопросу рационального использования твердосплавных СМП при чистовом точении // Известия ТулГУ. Технические

науки. Вып. 3, 2012. С. 71-77.

3. Чуприков А.О. Обеспечение точности при токарной обработке нежестких деталей // Известия ТулГУ. Технические наукн. Вып.Ю, 2012. С. 79-83.

4. Чуприков А.О. Рациональное использование твердосплавных СМП при чистовой токарной обработке // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии / Научно - технический журнал. Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». № 3-3 (293), 2012. С. 62 - 67.

5 Чуприков А.О., Иванов В.В., Пряжникова A.A., Сметанин A.C. Повышение эффективности процессов чистового точения на основе совершенствования геометрической конфигурации рабочей части резца// Механика и процессы управления. Т.З. - Материалы XXXXI Всероссийского симпозиума. М.: РАН, 2011. С. 180-185.

6. Чуприков А.О. Особенности нарезания упорных резьб резцами с lmii // Молодежный вестник Политехнического института: сб. статей. Тула: Изд-во

ТулГУ, 2010. С. 274-276.

7. Чуприков А.О. Многопроходное нарезание упорных резьб на станках с

ЧПУ// Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сборник статей VI МНТК. Пенза: Приволжский Дом Знаний, 2010. С. 147-149.

8. Чуприков А.О., Иванов В.В., Пряжникова A.A., Сметанин A.C. Увеличение эксплуатационного ресурса СМП при чистовой токарной обработке // Технические науки: традиции и инновации: материалы МНТК (г. Челябинск, январь 2012 г.). / Челябинск: Два комсомольца, 2012. С. 115-118.

9. Чуприков А.О. Рациональная эксплуатация специальных СМП при многопроходном нарезании упорных резьб // Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии. /Сб. тр. МНТК, (17-19 мая 2012 г.) /4.2. Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012. С. 45-49.

10. Чуприков А.О. Особенности токарной обработки тонкостенных оболочек/Молодежь и XXI век - 2012. Материалы IV МНТК (23-25 апреля 2012 г.), в 3-х т., Т. 2, Юго-Зап. гос. ун-т., Курск, 2012. С. 127-130.

11. Чуприков А.О. Минимизация погрешностей при токарной обработке нежестких деталей // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. Сб. матер. XI ВНТК студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых / Тула, Изд-во ТулГУ, 2012. С. 335-338.

Патенты, заявки:

1. Пат. 2468897 РФ, МПК B23G1/04, МПК B23G5/02. Способ нарезания резьбы и резьбовой резец. / Чуприков А.О., Иванов В.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Тульский оружейный завод». №2011122857; заявл. 06.06.2011; опубл. 10.12.2012, Бюл. № 1 - 5 е., ил.

2. Заявка на патент 2012121027 РФ, МПК B23G 1/00. Способ нарезания резьбы и разжимная цанга. / Чуприков А.О.; заявитель ОАО «Тульский оружейный завод».

3. Заявка на патент 2012132808 РФ, МПК B23G 1/00. Способ нарезания резьбы. / Чуприков А.О., Курилов И.Н., ЖижинА.С.; заявитель ОАО «Тульский оружейный завод».

4. Заявка на патент 2013109496 РФ, МПК B23G 1/00. Цанговый токарный патрон. / Курилов И.Н., Чуприков А.О., Жижин A.C., Шарапова И.А.; заявитель ОАО «Тульский оружейный завод».

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 16.09.2013 Формат бумаги 60x84 '/¡е. Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 041 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, проспЛенина, 95.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

04201362971

ЧУПРИКОВ АРТЁМ ОЛЕГОВИЧ

УДК 621.9

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ СВАРНЫХ КОРПУСОВ НА ОСНОВЕ УЧЕТА УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В.В. Иванов

Тула-2013

На правах рукописи

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

1 АНАЛИЗ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ТОНКОСТЕННЫХ СВАРНЫХ КОРПУСОВ.......................................................................................12

1.1 Обзор ранее выполняемых исследований.................................................13

1.2 Специфика конструкции и технологии изготовления типовых тонкостенных сварных корпусов......................................................................14

1.3 Назначение и технологичность резьбовых замковых соединений.........17

1.4 Анализ способов изготовления резьбовых замковых соединений.........20

1.5 Технологическая оснастка...........................................................................27

1.6 Анализ существующей технологии механической обработки сварных корпусов..............................................................................................................28

1.7 Возможность применения компьютерного моделирования в решении технологических задач.......................................................................................31

1.8 Анализ брака при изготовлении сварного корпуса..................................33

1.9 Цели и задачи работы..................................................................................36

2 КОМПЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ.

.................................................................................................................................38

2.1 Характеристика программных продуктов трехмерного проектирования.

..............................................................................................................................39

2.1.1 Характеристика программного продукта SolidWorks Simulation.....39

2.1.2 Характеристика программного продукта А№У8..............................41

2.2 Компьютерное моделирование деформирования конструктивных

элементов сварных корпусов............................................................................42

2.2.1 Исходные данные для расчета сил резания.........................................45

2.2.2 Расчет силы зажима сварного корпуса в патроне...............................46

2.2.3 Моделирование деформирования сварного корпуса при его закреплении. Схема 1......................................................................................48

2.2.4 Моделирование деформирования сварного корпуса при его закреплении. Схема II.....................................................................................61

2.2.5 Моделирование деформирования сварного корпуса при его закреплении. Схема III....................................................................................64

2.2.6 Моделирование деформирования сварного корпуса при его закреплении. Схема IV...................................................................................67

2.2.7 Моделирование деформирования сварного корпуса при его закреплении. Схема VI...................................................................................71

2.3 Погрешности формы поперечного сечения технологической базы сварного корпуса................................................................................................74

2.4 Анализ деформирования конструктивных элементов сварных корпусов в результате воздействия радиальной составляющей силы резания............82

2.5 Выводы..........................................................................................................90

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ.............................................................................................................92

3.1 Пересмотр существующей технологии механической обработки..........92

3.2 Определение упругих перемещений поперечного профиля после обработки............................................................................................................96

3.3 Сравнение экспериментальных результатов и компьютерного моделирования..................................................................................................101

3.4 Определение упругих перемещений сварного корпуса под действием зажимной силы.................................................................................................104

3.5 Анализ брака при изготовлении сварного корпуса по оптимизированной технологии........................................................................................................106

3.6 Выводы........................................................................................................107

3

4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ И

ИНСТРУМЕНТОВ..............................................................................................109

4.1 Многопроходное нарезание резьбы резцами..........................................109

4.2 Способ нарезания внутренней резьбы в по комбинированной схеме. .112

4.3 Комбинированная резьбовая державка....................................................120

4.4 Повышение точности обработки путем минимизации деформационных погрешностей....................................................................................................126

4.5 Способ нарезания наружной резьбы по комбинированной схеме........129

4.6 Моделирование деформации сварного корпуса с разжимной цангой внутри. Схема IV..............................................................................................133

4.7 Анализ брака при изготовлении сварного корпуса по оптимизированной технологии с применением комбинированной схемы нарезания резьбы. .136

4.8 Экономическое обоснование применение данных решений.................137

4.9 Выводы........................................................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДБ1.............................................................140

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 П.1.........................................................................................149

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 П.2.........................................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 П.З.........................................................................................178

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении, начавшийся подъем промышленного производства, требует возрастающего выпуска прецизионных машин и механизмов. Производство таких изделий неразрывно связано с ростом объема изготовления деталей высокой точности, которые широко используются в станкостроительной, ракетостроительной и др. отраслях промышленности. При этом основные технологические затруднения возникают при обработке деталей нежесткой конструкции, в том числе и тонкостенные. Особенно это проявляется при обработке сборок, в которых к тонкостенному корпусу приварены дополнительные элементы, служащие для базирования в изделии.

В большинстве случаев, такие сборки подвергаются термообработке и обладают повышенной поверхностной твердостью, что затрудняет их обрабатываемость. При обработке нежестких сборок применение финишных операций с использованием абразивных инструментов может вызвать температурную деформацию и увеличить погрешность обработки. Лезвийная обработка твердым сплавом позволяет избежать указанных явлений и дает возможность снизить температуру в зоне резания.

Фундаментальные основы точности обработки с учетом технологической наследственности базируются на работах Соколовского А.П., Дальского A.M., Васильева А.С.[1-5]. Отдельные вопросы точности при обработке тонкостенных деталей рассматривалось в работах: Ямникова A.C., Киселева В.Н., Кузнецова В.П. и Красильиикова В.М. [6-10]. В некоторых случаях тонкостенные сборки имеют конструктивные особенности, снижающие технологичность, например наличие концентрично расположенного кольца, которое посредством перемычек жестко связано с основной корпусной частью сборки. Это оказывает дополнительное влияние на величину погрешностей формы при обработке внутренних полостей таких сборок. Для соединения секций таких сборок в изделие широко применяют

5

резьбовые замковые соединения. Профиль усиленной упорной резьбы, наиболее применяемый для рассматриваемого класса изделий, имеет малый радиус закругления во впадинах резьбы до 0,05 мм для резьб с шагами от 1,5 до 3 мм. Это обстоятельство затрудняет стабильное получение требуемых параметров резьбы и снижает стойкость режущего инструмента. Поэтому разработка способов и средств, обеспечивающих заданную точность обработки и снижающих трудоемкость изготовления, тонкостенных деталей, имеющие конструктивные особенности, является актуальной научной задачей.

Цель работы заключается в снижении брака по параметрам точности поперечного сечения тонкостенных корпусных деталей при их закреплении в 3-х кулачковых патронах.

Для достижения поставленной цели в диссертации были определены следующие задачи:

1. Выявить причины брака, возникающего при токарной обработке тонкостенных сварных корпусов.

2. Провести компьютерное моделирование погрешностей обработки в продольных и поперечных сечениях.

3. Обосновать конструктивные параметры технологической оснастки, приводящие к уменьшению погрешностей обработки в продольном и поперечном сечениях сварных корпусов.

4. Оптимизировать схему нарезания резьбы полнопрофильными СМП с учетом низкой жесткости и высокой твердости сварных корпусов.

5. Внедрить результаты исследований в производство.

Объект исследования. Процессы механической обработки тонкостенных сварных корпусов.

Предмет исследования. Операции точения и резьбонарезания поверхностей тонкостенных деталей и сварных корпусов.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории технологии машиностроения, технологической наследственности, теории резания, методов математического и компьютерного моделирования. Компьютерное моделирование проводилось в программных продуктах SolidWorks и Ansys. Экспериментальные исследования произведены в производственных условиях на ОАО «Тульский оружейный завод». Приведенные измерения проводились с применением аттестованных средств измерений.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, в обработке и интерпретации результатов, формулировке выводов. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, касающиеся процессов токарной обработки тонкостенных корпусных деталей.

В первой главе анализируется состояние вопроса в производстве типовых сварных корпусов и технических требований, предъявляемых к их качеству. Отмечается, что повышение точности и производительности токарной обработки является весьма важной производственной задачей, причем ее решение особенно актуально для нарезания внутренней и наружной резьбы и чистовой обработки. Вопросами повышения точности токарной обработки посвящены ряд работ: Ямникова A.C., Кузнецова В.П., Киселева В.Н. и др. Влияние технологической наследственности

7

рассматривалось в работах: Соколовского А.П., Васильева A.C., Дальского A.M. Предшествующие работы не использовали в исследованиях деформирования деталей программы трёхмерного моделирования. Поэтому актуально в настоящее время применять SolidWorks и Ansys для компьютерного моделирования в решении подобных задач. В диссертации приводится анализ технологии изготовления сварного корпуса.

Во второй главе описываются результаты компьютерного моделирования процессов деформирования при зажатии тонкостенной детали в патроне

В третьей главе рассмотрена существующая технология обработки детали. Проанализированы результаты проведения экспериментов в сравнении с их компьютерным моделированием.

Четвертая глава посвящена специфическим аспектам внедрения процесса нарезания резьбы на станках с ЧПУ одновременно с другими токарными переходами. В частности рассмотрены вопросы унификации инструментов, устанавливаемых в револьверную головку станка, обеспечение совпадения профилей калибрующего и чернового резца при последовательном нарезании резьбы двумя резьбовыми твердосплавными пластинами, максимальному использованию режущих свойств инструмента, проектирование технологической оснастки для минимизации погрешности формы поперечного сечения.

Показано, что не меньшее влияние на точность, оказывают внутренние напряжения в детали после сварных операций. Несмотря на то, что термическая обработка и правильное ведения сварочного процесса ослабляют их влияние для минимизации данного явления, необходимо разделять черновое и чистовое растачивание и выполнять их как самостоятельные операции. Однако, обработка в такой стадийности не позволила радикально уменьшить деформацию поперечного профиля с отклонением от круглости ОД мм, что превышает допустимые пределы.

8

Автор защищает:

результаты компьютерного моделирования погрешностей закрепления с учетом влияния концентричного кольца, приваренного к тонкостенной корпусной детали, и ее ориентации при закреплении в патроне станка;

результаты экспериментальных исследований погрешностей закрепления, подтверждающие их адекватность компьютерному моделированию;

конструкции зажимной оснастки и специальных режущих инструментов, обеспечивающие погрешности формы обрабатывающих деталей в осевом и поперечном сечениях в пределах допуска;

- новый способ и схему нарезания упорной резьбы на тонкостенных заготовках из высокопрочных сталей;

- технологию изготовления тонкостенных корпусных деталей на станках с ЧПУ, позволяющий снизить брак до 5 %.

Научная новизна работы заключается в обосновании конструкций зажимных кулачков трехкулачковых патронов и способов установки в них сборок тонкостенных деталей, уменьшающих погрешности токарной обработки в продольном и поперечном сечениях на основе:

- разработки конструкции широких кулачков с двойной расточкой по предельным диаметрам центрирующей базовой поверхности сварного корпуса;

- использования явления интерференции сформированных в разных угловых фазах профилей поперечного сечения детали путем изменения ее угловой ориентации в патроне станка на операциях черновой и чистовой обработки;

- повышения жесткости технологической системы введением дополнительного элемента в полость детали (корпуса), ограничивающего ее (его) упругое деформирование при закреплении.

9

Практическая ценность работы:

- даны рекомендации по повышению точности процесса токарной обработки тонкостенных деталей и сварных корпусов на основе предложенных технологических решений;

- предложены способ и схема нарезания упорной резьбы, позволяющие снизить расход инструментального материала более чем в 2 раза и повысить стойкость инструментальной наладки;

- разработан комплект технологической оснастки и инструментов для операции чистовой обработки наружных и внутренней поверхностей тонкостенных деталей и сварных корпусов, позволяющий снизить процент брака в 4 раза.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «ТОЗ». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Основы технологии машиностроения» раздел «Погрешность закрепления», при подготовке магистров по дисциплинам «Прогрессивные технологии резьбообработки» и -«Научные основы технология машиностроения». Также они используются при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ бакалавров и специалистов, магистерских диссертаций по направлению 151900 - «Конструкторско-технологическое обеспечение

машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на ВНПК «Актуальные проблемы техники и технологии машиностроительного производства», Орел, 2012 г.; на VI МНТК «Прогрессивные технологии в современном машиностроении», Пенза, 2010 г., на МНТК «Технические науки: традиции и инновации», Челябинск 2012г; на ХХХХ1 Всероссийском Симпозиуме «Механика и процессы управления», Миасс 2011 г, на IV МНТК «Молодежь и ,ХХ1 век», Курск 2012г; на МНТК «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и

10

металлургии», Липецк 2012г, на ВНТК «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула 2012г, а также на ежегодных НТК преподавателей и сотрудников ТулГУ в 2009-2012г.г.

За комплекс работ по созданию технологических решений по повышению эффективности обработки тонкостенных деталей автор в 2012 г. был удостоен звания лауреата регионального конкурса «Инженер года 2012».

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 4 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, 7 статей в межвузовских сборниках научных трудов, 1 патент, 3 заявки на патент.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и четырех разделов, заключения, списка ис