автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое повышение качества и производительности обработки внутренних резьб с крупным шагом Р>3мм

^ # #

/

На правах рукописи

ЛЕКСИКОВ ВЯЧЕСЛАВ ПАВЛОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ РЕЗЬБ С КРУПНЫМ ШАГОМ Р>3 мм

05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск 1998

Работа выполнена в Брянском государственном техническом университете

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент,

А. Е. СТЕШКОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

А. Н. МИХАЙЛОВ,

кандидат технических наук, доцент А. И. МАКСИМОВ

Ведущее предприятие ОАО "БРЯНСКИЙ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД"

Защита состоится " 31 " марта 1998 г. в " 16 " часов на заседании диссертационного совета Д.063.28.01 Брянского государственного технического университета по адресу:

241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7, БГТУ, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета.

Автореферат разослан " 28 " февраля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В. П. ТИХОМИРОВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Надежность резьбовых соединений во многом обуславливается качеством изготовления внутренних резьб. Функциональное назначение резьбы определяет требования к ее качеству, которое зависит в общем от технологии ее обработки и, в частности, от вида инструмента и его геометрии.

Анализ показал, что наиболее широко применяемая технология обработки внутренних резьб режущими метчиками, как правило, не обеспечивает гарантированно высокую точность резьбы и шероховатость Яа< 2,5 мкм.

В связи с этим в работе был проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований с использованием ПЭВМ по разработке новой технологии обработки точных внутренних резьб с крупным шагом Р=3 мм и диаметром 24...52 мм, созданию прогрессивной конструкции инструмента.

Полученные результаты позволили создать конструкции и методики проектирования принципиально новых инструментов и усовершенствовать методики проектирования некоторых известных инструментов для обработки резьб высокой точности в различных условиях производства в зависимости от свойств обрабатываемого материала и функционального назначения резьбы.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением кафедры "АТС" (МСиИ) и в разрезе научно- исследовательской работы НИЧ2-10/94 Грант.

Цель работы. Повышение качества и производительности при обработке точных внутренних резьб диаметром 20...60 мм с крупным шагом Р =3...6 мм.

Автор защищает.

- новую схему и технологию обработки точных резьбовых отверстий исходя из условия обеспечения равномерной нагрузки по виткам резьбового соединения (РС) с учётом влияния качества резьбы, что способствует повышению прочности и долговечности РС.

- результаты исследования параметров качества получаемой резьбы, установленные зависимости для расчета сил резания и крутящего момента.

- конструкцию комбинированных метчиков и методику их проектирования.

- элементы автоматизированного комплекса научных исследований процесса обработки внутренних резьб на базе ПЭВМ на токарных станках.

Научная новизна. Впервые технологически обеспечено выравнивание нагрузки по виткам резьбового соединения с целью повышения его надежности . Путем стабильного обеспечения точности резьбы, конусности в резьбовом отверстии, близкой к теоретической, и уменьшения шероховатости боковых сторон витков резьбы Ла < 1,25 мкм при использовании комбинированной режуще-деформирующей обработки.

Исходя из обеспечения надежности резьбового соединения в соответствии с его функциональным назначением теоретически обоснована и экспериментально подтверждена концепция создания условий равномерной нагрузки по виткам соединения, разработаны научно обоснованные рекомендации по выбору методов обработки внутренних резьб в таких соединениях для принятых диапазонов размеров и материалов. Создание силоизмерительных элементов комплекса АСНИ и оригинальной оснастки к нему позволили получить записи силовых параметров при резьбообработке, в частности осевых сил, проверить полученные

теоретические зависимости для расчета крутящих моментов, положенных в основу расчетов прочности резьбонарезного инструмента.

Практическая ценность. Предложены практические

рекомендации, позволяющие обрабатывать точные внутренние резьбы диаметром 24...52 мм с шагом Р>3 мм и обеспечивающие стабильное получение точности в пределах 4Н5Н и точнее и шероховатость боковых сторон профиля резьбы Яа < 1,25 мкм. Разработан и введен в действие стандарт предприятия. Разработан и изготовлен силоизмерительный блок для измерения осевых сил при нарезании резьб метчиком, который встроен в комплекс АСНИ, созданный и используемый в научных исследованиях кафедры.

Апробация работы. Основные положения работы и ее отдельных частей доложены на международных научно-технических конференциях "Совершенствование процессов финишной обработки в машино - приборостроении, экология и защита окружающей среды", Минск 1995 г.; "Трение и износ", Брянск 1996 г.; республиканской научно-технической конференции "Создание ресурсосберегающих машин и технологий", Могилев 1996 г.; научно-технических конференциях "Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий", Нижний Новгород 1995 г.; "Современные технологии в машиностроении", Пенза 1996 г.; "Надежность механических систем", Самара 1996 г.; научно-технических конференциях Брянского государственного технического университета, 1992-1997 гг.; заседании технологической секции БГТУ, Брянск 1998 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации - 190 страниц , включая 75 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обоснована актуальность работы, ее практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние проблемы, проведен анализ литературных данных по теме диссертации на основе отечественной и зарубежной литературы, авторских свидетельств и патентов.

Анализ работ отечественных и зарубежных ученых занимающихся проблемами резьбообработки, О. С. Андрейчикова, В. И. Баранчикова, М. И. Басова, В. Ф. Боброва, Ю. П. Кузьмина, В. В. Матвеева, С. Ф. Рикмана, А. Е. Стешкова, Ю. Л. Фрумина и др. и ученых, исследующих влияние технологических факторов на качество поверхности, Г. Ф. Алейниченко, Г. И. Грановского, А. А. Гусева, А. И. Исаева, А. Д. Никифорова, А. Г. Суслова, Г. Э. Таурита, Якухина В. Г. и др. показал, что нарезание резьбы осуществляется различными способами и не всегда обеспечиваются требуемые качества .

Например, проведенные исследования по выявлению и устранению причин разбивания резьбы метчиками не дают окончательных рекомендаций для ликвидаций данного явления, так как величина и характер зависят от многих факторов. Особенно большие трудности возникают при нарезании резьб высокой точности 4Н, 4Н5Н, изготавливаемых из различных материалов диаметром более 20 мм и шагом более 3 мм. В этом диапазоне чаще всего

используется обработка метчиками и иногда резцами, что не дает гарантированного обеспечения точности и шероховатости, снижает производительность обработки. На основе аналитического обзора сделан вывод о перспективности применения в рассматриваемом диапазоне комбинированной режуще-деформирующей обработки, позволяющей стабильно получать точность 4Н и шероховатость Ла < 2,5 мкм , что повышает эксплуатационные показатели РС: статическую прочность, выносливость, стабильность затяжки, износостойкость в подвижных соединениях.

Известно, что вследствие различной деформации болта (растяжение) и гайки (сжатие) усилия между витками резьбы на длине свинчивания распределяются неравномерно. Известные конструкторские приемы повышения надежности резьбовых соединений не учитывют влияние таких факторов, как изменение диаметральных погрешностей на длине свинчивания (конусность). Отклонение собственно среднего диаметра , шага, угла профиля, возникающие при изготовлении внутренней резьбы, в виде диаметральной компенсации приведенного среднего диаметра различны на каждом витке, что является причиной конусности резьбы гайки, называемая разбивкой.

Очень важным является повышение производительности при обработке внутренних резьб метчиками, так как нестабильность получения требуемой точности резьбы, низкая стойкость метчиков приводят к необходимости применять машинные метчики из трех и более штук. Эти недостатки обработки резьб метчиками заставляют искать другие методы получения внутренних резьб.

Во второй главе изложены методика проведения исследований, выбор объектов исследования, рассмотрены средства и методы экспериментальных исследований. В частности, приведены схемы, фотографии и дано описание разработанного автором

силоизмерительного блока, входящего в автоматизированную систему научных исследований (АСНИ), для изучения динамических параметров резьбонарезания различными метчиками.

Комплекс создан на базе ПЭВМ и специально разработанного силоизмерительного патрона и усилителя. Он обеспечивает выполнение практически непрерывных измерений усилий резания по нескольким каналам с отображением -на графическом мониторе, сохранение их на внешних носителях, вывод на стандартные печатающие устройства или графопостроитель. Программное обеспечение позволяет проводить статическую или специальную математическую обработку полученных зависимостей. Модульность построения комплекса дает вожможность вносить изменения как в аппаратную реализацию, так и программное обеспечение (рис. 1).

Разработанные автором элементы комплекса существенно расширяют область его применения в НИР.

Рис. 1. Блок схема АСНИ:

Д1...Д2 - тензометрические датчики;

У - усилитель (4 канала);

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь;

ПЭВМ - персональная ЭВМ.

Третья глава посвящена теоретическим исследованиям процесса нарезания внутренних резьб с крупным шагом комбинированным способом. Как показал анализ, огромный резерв прочности и надежности резьбовых соединений заложен в достижении равномерного распределения нагрузки по виткам.

Эта задача для реальных соединений до настоящего времени не имеет точного решения. Она решена Н. Е. Жуковским для идеально точно изготовленной резьбы, но при этом не учитывает влияния шероховатости боковых поверхностей витков и конусности резьбы, которые существенно меняют картину распределения нагрузки.

В работе определена величина конусности резьбы, которая с учетом смятия микронеровностей при затяжке позволила бы обеспечить практически равномерную картину распределения нагрузки по виткам соединения.

Для резьбового соединения с отношением высоты к диаметру, равным 0.8, и шероховатостью рабочих поверхностей 11а=0.7 мкм формула для расчета конусности резьбового отверстия имеет вид:

где п - число витков;

С>- полная величина затяжки, Н;

(12- средний диаметр метчика, мм;

Р- шаг резьбы, мм;

с1о- номинальный диаметр резьбы, мм. При этом учитывалось, что резьба на шпильках получена накатыванием, что обеспечивает практически отсутствие конусности и гарантированную шероховатость Яа = 0,32...0,63 мкм.

Проведенные исследования и расчеты позволили сформулировать общую концепцию создания такого резьбового

соединения , у которого равномерное распределение нагрузки по виткам можно достигнуть регламентированием таких параметров, как конусность и шероховатость боковых сторон резьбового отверстия, обеспечиваемых технологически при. обработке комбинированными метчиками.

Для реализации данной технологии обработки точных внутренних резьб разработана новая схема формообразования резьбы. Предварительно производится черновое нарезание с припуском под чистовую режуще-деформирующую обработку комбинированным метчиком. Режущий зуб срезает часть металла по боковым сторонам профиля в его нижней части, обеспечивая пространство для пластического перемещения металла при деформировании, следующий за режущим зубом деформирующий выступ окончательно формообразует профиль и обеспечивает направление витков по прорезанным канавкам, что исключает подрез.

При этом методе присутствуют как элементы резания, так . и элементы пластического деформирования, для чего каждое перо метчика имеет режущий зуб и деформирующий выступ (рис. 2).

Рис. 2. Поперечный профиль комбинированного метчика:

1 - деформирующий выступ;

2 - режущий зуб.

На основе анализа условий обработки чистовым

комбинированным метчиком и экспериментальной проверки обеспечения прочности рабочей и крепежной части метчика и величины разбивания при черновой обработке была получена зависимость для расчета припуска, мм, под чистовую обработку

где К - величина, определяемая в зависимости от степени точности резьбы для диапазона резьб диаметром от 24 до 60 мм.Здесь Р = 3...6 мм составляет:

Фактическая величина конусности при обработке резьбы с такой схемой близка к расчётной , шероховатость боковых сторон обеспечивается параметром Яа = 0,5...0,7 мкм.

При обработке внутренней резьбы комбинированными метчиками возникают силы, которые оказывают влияние на величину крутящего момента, поэтому в данном разделе решена задача по определению режущих и деформирующих сил, действующих на инструмент, и получена зависимость для нахождения оптимального суммарного крутящего момента, с учётом прочности рабочей и крепёжной части инструмента.

П = К-Р041

Клип = 0,095, Ктах = 0,1274.

х

где 1- глубина срезаемого слоя режущим зубом, мм;

Бг- ширина срезаемого слоя, мм; V - скорость обработки, м I мин; Кр - коэффициент, учитывающий условия обработки; с1о - номинальный диаметр метчика, мм; Ьр - величина уменьшения диаметра режущих выступов относительно деформирующих, мм;

42 - величины контактных напряжений по боковой и наружной поверхностям деформирующего выступа; 9, 6р - центральные углы деформирующего и режущего выступов;

Ь - высота профиля резьбы, мм; с - ширина площадки на вершине выступов, мм; ц - коэффициент трения;

Ку - коэффициент, учитывающий размер волны; ёр- диаметр режущих выступов, мм; х, у, п - показатели степени, учитывающие условия обработки.

Для расчета крутящего момента, конструктивных параметров и параметров прочности рабочей и крепежной части разработана программа применительно к ПЭВМ.

Для уменьшения усилия обработки деформирующих выступов и обеспечения доступа СОТС к ним получены рекомендации по расчету соотношений высоты и толщины слоя металла срезаемого режущими лезвиями зуба.

Полученные зависимости позволяют определить высоту режущих зубьев Ир в зависимости от общей высоты профиля Ь и рекомендовать:

- при обработке материалов низкой пластичности

=(0.2...0.3)11;

- при обработке материалов средней пластичности

Ьр =(0.35...0.5)11.

Толщина срезаемого слоя аР при этом равна половине общей толщины припуска.

Экспериментальные исследования подтвердили полученные теоретические зависимости.

При анализе диаграммы действия осевых сил, полученных с помощью АСНИ, установлено, что осевые усилия практически одинаковы по величине и характеру действия. Однако при одной и той же силе величина разбивки комбинированным метчиком и режущим стандартным различна. Это объясняется подрезанием боковых сторон профиля резьбы боковыми режущими лезвиями стандартного метчика.

В четвертой главе приводятся результаты исследований качества резьбы, полученной комбинированными метчиками, в различных конструкционных материалах, таких, как Ст 3 ГОСТ 380-94, сталь 15, сталь 45 ГОСТ 1058-88, серый чугун СЧ 12 ГОСТ 1412-85.

Установлено, что средний диаметр резьбы в отверстии для пластичных материалов несколько меньше приведенного среднего диаметра метчика. Это уменьшение для исследованных диаметральных размеров и материалов находилось в пределах не более 0,0181 мм, т.е наблюдалась усадка резьбы. Для хрупких материалов усадка не установлена. Образующаяся при этом конусность резьбового отверстия, считая от входа , близка к расчётной из условия обеспечения равномерности нагрузки по виткам и составляет не более 10 % от допуска среднего диаметра резьбы четвёртой степени точности.

Шероховатость профиля боковых сторон находилась в пределах Лг = 2,01...2,71 мкм, микротвердость боковых сторон резьбового витка в среднем на 25 % выше, чем у нарезанной резьбы, глубина упрочненного слоя 0,25...0,35 мм.

Высокая точность, низкая шероховатость и наличие упрочнения резьбы гайки при обработке комбинированными метчиками

позволяют в неподвижных резьбовых соединениях обеспечить стабильность затяжки, снизить вероятность задиров, заеданий и схватывания по поверхностям контакта. В подвижных резьбовых соединениях при использовании бронзовых гаек и стального винта при уменьшении износа и его более равномерном распределении по виткам, износ первых витков снижается в 3 - 4 раза, долговечность пары повышается до двух раз.

В пятой главе определены конструктивные и геометрические параметры рабочей части комбинированного метчика.

В зависимости от свойств материала и вида отверстия обработка резьбы может осуществляться:

а) для сквозных отверстий в гайках - одним комбинированным метчиком, когда на одной оси находятся черновой метчик и комбинированная режуще-деформирующая секция;

б) для глухих отверстий - комплектом метчиков из двух штук, при этом окончательная обработка производится чистовым комбинированным метчиком;

в) для резьб диаметром более 40 мм в деталях типа гайка -метчик-протяжка, состоящий из двух секций режущей и комбинированной.

Разработан алгоритм и программа для автоматизированного проектирования комбинированных метчиков с выводом результатов проектирования и чертежа инструмента на экран дисплея или бумагу.

Получение экономического эффекта при применении разработанной технологии обусловлено следующими факторами:

- повышением производительности;

-уменьшением расхода инструмента;

- сокращением расходов в связи с повышением надежности

резьбового соединения при эксплуатации.

Последний фактор обеспечивается:

а) для неподвижных резьбовых соединений - повышением их циклической и статической прочности, надежности затяжки, уменьшением склонности к схватыванию в зонах контакта;

б) подвижных резьбовых соединений - повышением износостойкости витков гайки, прочности.

Общая величина ожидаемого экономического эффекта от использования разработанной технологии резьбообработки определяется за расчетный период по действующей методике за 5 лет.

Р -3

С) _ 1 -'г

Т"ЕНГ + Кр'

где Рг -неизменная по годам расчетного периода стоимостная оценка результатов внедрения мероприятия, руб. Зг -неизменная по годам расчетного периода стоимостная оценка затрат на осуществление мероприятия, руб. Ен - нормативный коэффициент экономической эффективностй капитальных вложений. КР - коэффициент реновации основных фондов. Составляющие экономии, вызванные каждым слагаемым расчетной зависимости, определены в ценах 1997 г.

Для резьбовых соединений М 24x3 экономический эффект за 5 лет составит:

Э=160 500 ООО руб.(в ценах 1997 г.)

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ. 1. Исходя из условия обеспечения равномерного распределения нагрузки по виткам РС с учетом влияния параметров качества резьбы, разработаны новая схема и технология обработки точных резьбовых отверстий, что способствует повышению прочности и долговечности резьбовых соединении.

2. Исследован процесс резьбообработки комбинированным режуще-деформирующим инструментом, что позволило получить зависимости для расчета оптимальной величины припуска, суммарных усилий и крутящих моментов, а также установить значения параметров, регламентирующих соотношение режущих и деформирующих элементов комбинированных инструментов для принятого диапазона размеров резьб и обрабатываемых материалов.

3. Разработан, изготовлен и встроен в систему АСНИ силоизмерительный комплекс для исследования процесса резьбонарезания метчиком с использованием ЭВМ, что позволило более точно измерять радиальные и осевые усилия, влияющие на резьбообработку.

4. Исследованы параметры качества резьбы. Установлено, что режуще-деформирующая обработка обеспечивает стабильно высокую точность (4Н и выше) с конусностью первых витков, близкой к расчетной, шероховатость боковых сторон профиля резьбы Ra =

0,5...0,67 мкм, глубину упрочненного слоя 0;2...0,35 мм, и в целом способствует повышению прочности и надежности PC.

5. Разработаны технология обработки точных внутренних резьб в различных производственных условиях и конструкция инструмента и методика их проектирования с использованием ЭВМ на основе исследований силовых факторов процесса резьбообработки.

6. Оценена производительность использования новой технологии и установлено, что ее применение позволит уменьшить трудоемкость получения резьбы в гайках ДО 1,5 - 2 раз и увеличить производительность на 30-40 %.

7. Разработана методика технико-экономической оценки эффективности применения новой технологии резьбообработки в сравнении с известными традиционными методами.

8. Разработаны рекомендации для практического использования данной технологии в производственных условиях.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1.Лексиков В. П., Чемодуров Н. М. Комбинированный инструмент для получения внутренних резьб высокого качества// Проблемы повышения качества надежности и долговечности машин.-Брянск: БИТМ, 1992.- С.95-100.

2. Лексиков В. П. Твердосплавный метчик с углом лямбда и винтовым затылованием// Прогрессивные технологии - основы качества и производительности обработки изделий: Материалы науч.- техн. конф. - Нижний Новгород, 1995. - С. 107 - 109.

3. Лексиков В. П. Методика определения крутящих моментов при обработке внутренних резьб// докл. науч.- техн. конф.-Брянск, 1996.

4. Стешков А. Е., Лексиков В. П. Резьбонарезной патрон с компенсирующим устройством// Информ. листок N139-93,-Брянск: ЦНТИ, 1993.

5. Стешков А. Е., Лексиков В. П. Твердосплавный метчик// Информ. листок N149-93,- Брянск: ЦНТИ, 1993.

6. Стешков А. Е., Хандожко А. В., Добровольский Г. И., Лексиков В. П. Нарезание точных внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ// Информ. листок N144-93,- Брянск: ЦНТИ, 1993.

7. Стешков А. Е., Лексиков В. П. Метчик с напаянными пластинами твердого сплава и винтовым затылованием резьбы// Стандарт предприятия БИТМ - Брянск, 1995.

8. Стешков А. Е., Лексиков В. П. Обработка внутренних резьб// Создание ресурсосберегающих машин и технологий: докл. науч. -техн. конф. -Могилев, 1996.

9. Стешков А. Е., Лексиков В. П. Исследование износа витков резьбовых соединений// Тезисы докл. междун. науч. - техн. конф. -Брянск: БГИТА, 1996.

Ю.Суслов А. Г., Прокофьев А. Н., Ушаков И. А., Лексиков В. П. Обработка внутренних резьб// Тез. докл. междун. науч. - техн. конф. -Минск, 1995.- С127.

П.Суслов А. Г., Стешков А. Е., Хандожко А. В., Лексиков В. П. Прогрессивные конструкции инструментов для обработки внутренних резьб// Современные технологии в машиностроении: Тез. докл. науч. - техн. конф.- Пенза, 1996.

12.Суслов А. Г., Прокофьев А. Н., Лексиков В. П. Повышение надежности и долговечности резьбовых соединений// Надежность механических систем: Тез. докл. науч. - техн. конф.- Самара, 1996. -С.240 - 241. / ) /1

ЛЕКСИКОВ ВЯЧЕСЛАВ ПАВЛОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ ВНУТРЕННИХ РЕЗЬБ С КРУПНЫМ ШАГОМ Р > 3 мм

Лицензия № 020381 от 22.02.92. Подписано в печать 02.98. Формат 60x84 1/16 Бумага типографская № 2. Офсетная печать. Печ. л. 1. Уч: - изд. л. 1. Т. 100 экз. Заказ {93- Бесплатно.

Брянский Государственный технический университет

241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7,

Лаборатория оперативной типографии БГТУ, ул. Институтская, 16.