автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое повышение производительности и качества точных внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДОБРОВОЛЬСКИЙ ГЕРМАН ИГОРЕВИЧ

ГЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КАЧЕСТВА ТОЧНЫХ ВНУТРЕННИХ РЕЗЬБ НА ТОКАРНЫХ

СТАНКАХ С ЧПУ

05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск -1996

Работа выполнена в Брянском государственном техническом университете

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор А. Г. СУСЛОВ

Научный консультант - кандидат технических наук, профессор

А.Е. СГЕШКОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

А. А. ГУСЕВ,

Защита состоится "24- "декадря 1996г. 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 "22 " ноясГря 1996 г.

кандидат технических наук, доцент

О.С. АНДРЕЙЧИКОВ

Ведущее предприятие- АО "БРЯНСКИЙ АРСЕНАЛ"

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Резьбовые соединения являются ответственными узлами деталей машин, определяющими надежность и качество изделия в целом, эксплуатационные свойства которых в значительной мере определяется точностью изготовления и характеристиками поверхности профиля.

Актуальность темы связана с технологическими трудностями обеспечения стабильного высокого качества внутренних резьб диаметром 24...90 мм и шагом 1.5...3 мм при специальных требованиях по расположению среднего диаметра относительно базовых поверхностей детали на токарных станках с ЧПУ, так как существующие технологии и инструменты не гарантируют требуемого качества при высокой производительности.

В связи с этим в работе был приведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований с использованием ПЭВМ по разработке высокопроизводительной технологии обработки точных внутренних резьб, созданию конструкции инструмента для обеспечения данной технологии и разработке методов его автоматизированного проектирования.

Технология, конструкция и геометрические параметры нового инструмента должны определяться на основании глубоких исследований процесса резьбонарезания, режимов обработки, исходя из обеспечения хороших условий для образования и отвода стружки, с гарантированной точностью и шероховатостью боковых сторон профиля резьбы 1.25 мкм, что в конечном итоге позволит

снизить себестоимость обработки. Работа выполнялась в соответствии с научным направлением кафедры "МСиИ" и в разрезе научно-исследовательской работы НИЧ2 -10/94 Грант.

Целью работы является повышение производительности и качества точных внутренних резьб в сквозных отверстиях диаметром 24...90 мм с шагом Р<3 мм в деталях из конструкционных и легированных сталей средней твердости НВ 220...320 многолезвийным инструментом на токарных станках с ЧПУ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- разработка новой оптимальной технологии формообразования профиля внутренней резьбы;

- конструкция круглых многониточных резьбовых резцов для нарезания точных внутренних резьб на станках с ЧПУ;

результаты теоретико-экспериментальных исследований по определению геометрических параметров инструмента, уточнению режимов обработки и их влиянию на точность, качество и производительность резьбообработки;

- разработка автоматизированного комплекса научных исследований процесса резьбонарезания на базе ПЭВМ.

Научная новизна. На основании комплекса исследований с использованием АСНИ впервые разработана новая оптимальная технология формообразования резьбы, конструкция инструмента, определены режимы обработки точных внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ, позволяющие стабильно обеспечить высокое качество резьбы и повысить производительность труда.

В основу новой технологии формообразования резьбы заложена идея равенства удельных сил, действующих на каждый зуб круглого многониточного резьбового резца, и равномерности их износа.

Практическая ценность. Предложены практические рекомендации, позволяющие обрабатывать точные внутренние резьбы

диаметров 24...90 мм с шагом 1.5...3 мм, обеспечивающие стабильное получение точности 4Н, 4Н5Н и шероховатости боковых сторон

профиля резьбы 1,25 мм. Введены в действие стандарты

предприятия СТП БИТМ 012-95, СТП БИТМ 013-95.

Предложенная технология, инструмент и оснастка обработки внутренних резьб прошли апробацию на заводе тепловозных дизелей АО БМЗ. Результаты позволили обеспечить стабильную работу роботизированного комплекса по обработке точных гаек тепловозного дизеля, повысить надежность резьбовых соединений, снизить себестоимость изготовления и сократить расход использования инструментального материала.

По результатам исследований разработана и внедрена в учебный процесс методика автоматизированного проектирования режущего инструмента для круглых многониточных резьбовых резцов.

Разработан и изготовлен силоизмерительный комплекс, входящий в автоматизированную систему научных исследований, которая используется в научных исследованиях кафедры и в учебном процессе.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: международной научно-технической конференции "Износостойкость машин", Брянск 1994г.; научно-технической конференции "Новые технологии и системы обработки в машиностроении", Севастополь 1994г.; международной научно-технической конференции "Проблемы повышения качества машин", Брянск, 1994 г.; международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиностроения и технический прогресс", Севастополь, 1996 г.; научно-технических конференциях Брянского Государственного Технического Университета, Брянск, 1992-1996 гг.; заседании технологической секции БГТУ, Брянск, 1996 г.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации - 173 страницы, включая 60 рисунков и 10 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований в связи с имеющимися на производстве проблемами по обеспечению требуемой точности и качества внутренних резьбовых поверхностей, обрабатываемых на станках с ЧПУ.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса, проведен анализ литературных данных по теме диссертации, определены цели и задачи исследований.

Отмечается, что устанавливать необходимую точность изготовления резьбовых соединений следует, прежде всего, исходя из предъявленных к ним эксплуатационных требований, их функционального назначения. Получение резьбы повышенной точности существующими методами приводит к усложнению технологии ее изготовления, резкому повышению себестоимости обработки и сопровождается большим процентом размерного брака.

Точность размера определяет точность выполнения отдельных параметров резьбы детали ( средний диаметр, шаг, угол профиля и т.д.), которые регламентируются допуском приведенного среднего диаметра. Для правильной работы, исходя из эксплуатационных требований резьбового соединения, необходимо обеспечить высокую точность по перпендикулярности базового торца оси среднего диаметра резьбового отверстия, что может быть достигнуто только

при стабильном обеспечении точности параметров резьбы. В связи с этим требованием часто обработку выполняют резьбовыми резцами, что приводит к увеличению трудоемкости операции в целом.

Анализ работ отечественных и зарубежных ученых занимающихся проблемами резьбообработки: Андрейчикова О.С., Баранникова В.И., Басова М.И., Биргера И.А., Блюмберга В.А., Боброва В.Ф., Бочина М.Н., Гречишникова В.А., Загурского В.И., Козина Б.Г., Кузьмина Ю.П., Матвеева В.В., Ракмана С.Ф., Стешкова А.Е., Фрумина Ю.Л., Якушева А.И. и др.; ученых, исследующих влияние технологических факторов на качество поверхности: Алейниченко Г.Ф., Грановского Г.И., Гусева A.A., Исаева А.И., Левина В.Г., Макарова А Д., Никифорова А.Д., Пикалова Б.И., Суслова А.Г., Таурита Г.Э., Тищенко O.A., Якухина В.Г. показал, что нарезание резьбы осуществляется различными способами, каждый из которых обычно имеет несколько разновидностей или схем обработки, определенных требуемой точностью, качеством получаемой поверхности детали и условиями производства.

Для внутренних резьб высокой точности 4Н, 4Н5Н, изготавливаемых из конструкционных и легированных сталей с шагом до 3 мм, применяют точение однолезвийным стержневым резцом из быстрорежущей стали или с напайннми пластинками твердого сплава на токарных станках.

Формообразование резьбовой впадины регламентируется схемой резания, которая определяется направлением врезания резца относительно перпендикуляра к оси детали и законом изменения подачи от прохода к проходу. Схема резания характеризует форму и размеры сечения срезаемого слоя для каждого рабочего хода резца. При нарезании метрической резьбы используют два основных направления врезания резца: перпендикулярное к оси детали (радиальное врезание), дающее профильную схему резания; и вдоль

одной из сторон профиля резьбы (боковое врезание), реализующее комбинированную профильно-генераторную схему. Сочетанием двух указанных схем резания можно получить и другие комбинированные схемы. При всех возможных существующих схемах резания однолезвийным инструментом, последние один или несколько рабочих ходов выполняются по профильной схеме, то есть в работе участвуют все три режущие кромки резца, вследствие чего увеличивается нагрузка на резец и появляются сложности в обеспечении требуемой шероховатости резьбы. Неэффективна также схема срезания припуска стандартными круглыми многониточными гребенками из-за неравномерности нагрузки режущих зубьев и плохой деформации стружки, имеющей трапециидальную форму. Обработка такими инструментами выполняется за 8... 15 рабочих ходов, что приводит к большим технологическим затратам.

Проведенный в главе анализ существующих технологий и инструментов для нарезания точных внутренних резьб, представленных в литературных и статистических источниках, позволил сделать следующие выводы:

1. Исходя из перспектив развития машиностроения, очевидна целесообразность все более широкого использования токарных станков с ЧПУ для получения точных внутренних резьб в сквозных отверстиях.

2. Использование такой обработки сдерживается отсутствием достаточно отработанной технологии и надежного, высокопроизводительного и простого в эксплуатации режущего инструмента, обеспечивающего высокое качество резьбы с высокой стойкостью и ресурсом работы.

3. Технология, конструкция и геометрические параметры нового инструмента должны определяться на основании комплексных исследований процесса резьбонарезания, режимов обработки, исходя

из обеспечения хороших условий образования и отвода стружки, гарантированной точности резьбы, шероховатости боковых сторон

профиля 11а < 2.5 мкм и снижении себестоимости обработки.

На основании полученных результатов анализа состояния вопроса технологического повышения производительности и качества точных внутренних резьб, нарезаемых на станках с ЧПУ, сформулирована цель работы: повышение производительности и качества точных внутренних резьб в сквозных отверстиях диаметром 24...90 мм с шагом Р<3 мм в деталях их конструкционных и легированных сталей средней твердости НВ 220...320, многолезвийным инструментом на токарных станках с ЧПУ.

Для достижения этой цели нужно решить ряд задач:

1. Провести исследования по оптимизации технологии формообразования внутренней резьбы.

2. Разработать АСНИ для исследования сил резания процесса резьбонарезания.

3. Разработать методику проектирования многониточных резьбовых резцов для реализации технологической схемы, обеспечивающей повышение производительности и качество резьбы при обработке на токарных станках с ЧПУ.

4. Выполнить анализ точности обрабатываемой резьбы и разработать методику расчета величины погрешности.

5. Разработать рекомендации для использования новой технологии и провести технике - экономический анализ обработки внутренних резьб в производственных условиях.

Во второй главе дано обоснование и описание общей методологии проведения исследований. Произведен выбор объектов исследований, их материалов и типоразмеров. Для проведения экспериментов в качестве образцов были использованы заготовки крепежных деталей тепловозного дизеля 10Д-100, ДБ-Зб, и ходовой

части городского троллейбуса; в частности гаек крепления блока цилиндров М39х2 4Н5Н, М62х2 4Н5Н, и крепление ступицы переднего колеса троллейбуса М42х2 4Н.

Описаны металлорежущее оборудование, приборы и оснастка, применяемые для проведения исследований, средства контроля параметров детали и инструмента.

Представлена методика контроля геометрических характеристик режущих кромок при изготовлении, заточке и установке на станке круглых многониточных резьбовых резцов.

Обоснован выбор инструментального материала для нового инструмента и представлены особенности технологии изготовления круглых многониточных резьбовых резцов.

В третьей главе представлены разработки по созданию автоматизированного комплекса научных исследований процесса токарной обработки внутренней резьбы.

Одним из важнейших параметров, характеризующих процесс обработки, является сила резания. Однако исследования процесса резания с помощью традиционных приборов дают недостаточное количество информации, что особенно актуально для многолезвийных инструментов. При одновременной работе большого количества режущих кромок интегральные оценки сил резания практически не дают информации для анализа оптимальности исследуемой технологии, конструкции инструмента и условий обработки. Необходимо иметь информацию по распределению сил по режущим кромкам, динамике изменения этих сил, спектру колебаний системы СПИД.

Современные ПЭВМ обладают высоким быстродействием, имеют большую емкость носителей информации, способны решать достаточно сложные задачи по обработке полученной информации, ее представлению, а также управлению технологическим оборудованием.

Большое количество программного обеспечения, открытая архитектура 1ВМ-совместимых ПЭВМ позволяет относительно просто стыковать источники электрических сигналов с компьютером.

В связи с этим на базе ПЭВМ и традиционных приборов создан автоматизированный измерительно-аналитический комплекс -элемент автоматизированной системы научных исследований АСНИ.

Д1

Д2

Y1

У2

/ ч

/ V

—

АЦП

Рис. 1. Блок схема АСНИ Этот . комплекс обеспечивает выполнение практически непрерывных измерений . усилий резания (дискретность измерения изменяется в очень широком диапазоне) по нескольким каналам, с отображением результатов на графическом мониторе, сохранение их на внешних носителях, вывод на стандартные печатающие устройства или графопостроитель, статистическую или специальную математическую обработку полученных зависимостей. Модульность построения комплекса позволяет оперативно вносить изменения как в аппаратную реализацию, так и программное обеспечение.

В четвертой главе предложена принципиально новая технология обработки резьбы и разработана конструкция инструмента, с

помощью которого реализована новая схема резания, позволяющая технологически повысить качество и производительность обработки точных внутренних резьб.

В отличие от известных схем срезания припуска резьбовой впадины гребенками, новая схема резания обеспечивается конструкцией режущей части инструмента в комбинации с резьбонарезными циклами станков с ЧПУ.

Новая комбинированная схема позволяет получать на чистовых рабочих ходах стружку прямоугольного сечения толщиной Сг-0.05...0.07 мм, и шириной Вв0.15...0.20 мм. Такая стружка легко деформируется, не забивает резьбовое отверстие, легко выводится из зоны резания, при этом уменьшаются силы резания и число рабочих ходов. По сравнению с общеизвестными схемами обеспечивается высокое качество резьбы. Срезание припуска круглым многониточным резьбовым резцом с шестью рабочими зубьями обеспечивает новую комбинированную схему резания, представленную на рис. 2.

На первом рабочем ходу срезается максимально допустимая прочностью резца часть высоты профиля, при этом схема резания

а)

б)

Рис.2 Новая комбинированная схема резания

является генераторной (Рис. 2.а). Следующие за первым рабочие ходы обеспечивают комбинированную схему резания, при которой лезвия заборной части резца работают по профильной схеме, и, срезая стружку тонкими полосками, формируют боковые стороны профиля, а последние два режущих зуба (пятый и шестой) - впадину витка, работая по генераторной схеме вершинами (Рис. 2.6). Последний седьмой зуб является калибрующим и производит зачистку резьбы по профилю.

Для гарантирования работы инструмента в автоматическом режиме необходимо обеспечить равную прочность и равномерный износ по всем режущим зубьям круглого многониточного резьбового резца. Для этого силы резания надо распределить так, чтобы нагрузка уменьшалась от более прочного первого зуба, работающего в благоприятных условиях, к менее прочным следующим зубьям, работающим в стесненных условиях резания.

Быстро создать и исследовать такую конструкцию инструмента стало возможным с использованием автоматизированного комплекса научных исследований.

Анализ записи сил, действующих на каждый зуб круглого многониточного реьбового резца, дал возможность оценить и рассчитать срезаемые площади каждым зубом при условии равномерного размерного износа по зубьям. На основании проведенного анализа нагружения зубьев выявлен коэффициент условий резания, позволяющий рассчитать форму заборного конуса круглого многониточного резьбового резца при обеспечении равного износа по всем режущим зубьям.

Теоретический профиль передней поверхности круглого многониточного резца совпадает с теоретическим профилем нарезаемой резьбы только при переднем угле у резца равном нулю. Для обеспечения лучшего качества обрабатываемой поверхности и снижения сил резания инструмент должен иметь положительный передний угол, который для основных конструкционных материалов должен быть в пределах от 5° до 15°. Введение такого угла у приведет к искажению угла профиля резьбы, в связи с чем необходимо выполнять коррекцию угла профиля резца по правой и левой его сторонам.

Кроме этого наличие у >0 приводит к искажению образующей профиля резьбы, т.е. появлению вогнутости профиля.

В работе получены зависимости для оценки непрямолинейности боковых сторон профиля резьбы. Проведены расчеты погрешности, которые показали, что при обработке внутренних резьб в диапазоне диаметров 24...90 мм., круглым многониточным резцом с диаметром ~ 0.75 О, погрешности непрямолинейности профиля составили <15% от допуска по среднему диаметру.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований, на основании которых определены конструктивные и геометрические параметры рабочей части резца, оптимизированы технологические параметры обработки, проведен анализ размерного

износа по зубьям инструмента с целью обеспечения высокой производительности обработки и качества нарезания резьб. Основными параметрами для оценки условий резания и оптимизации усилий обработки является главная составляющая сил резания Рг и ее распределение по виткам резьбового многониточного резца.

Вторыми выходными факторами для оценки качества резьбы являются параметры точности и качества поверхности.

Проведены исследования по влиянию формы заборной части резца на процесс резьбонарезания. Оптимизированы значения переднего и заднего углов, число рабочих ходов необходимое для качественного нарезания резьбы. Исследовано влияние подачи СОТС в зону резания при нарезании внутренней резьбы.

Полученные результаты подтверждают теоретические разработки А.Д. Макарова и С.С. Силина, что при нахождении оптимума по главной составляющей сил резания Рг, гарантирована и оптимальна шероховатость получаемой поверхности.

Результатами исследований явились:

предложенная технология и конструкция круглого многониточного резьбового резца для нарезания точных внутренних резьб, позволяющие стабильно обеспечивать требуемую высокую точность (степени 4Н и выше) с шероховатостью поверхности Яа < 1.25 мкм при четырехпроходной схеме, что в два - четыре раза меньше в сравнении с известной обработкой однолезвийным резцом;

- установлено, что качество поверхности в полной мере определяется условиями протекания процесса резания;

- подтверждена гипотеза зависимости характера износа режущих зубьев с характером распределения удельной нагрузки по зубьям;

- экспериментально подтвержден теоретический вывод, что при проектировании многолезвийного инструмента необходимо учитывать коэффициент условий резания;

- определен оптимум заднего угла круглого многониточного резьбового резца по силам резания, износу режущих зубьев и шероховатости получаемой поверхности;

- разработаны способ и рекомендации по подаче СО ТС в зону резания.

Шестая глава посвящена результатам испытаний и определению экономического эффекта от использования в производстве круглого многониточного резьбового резца.

Расчет выполнен для случая обработки гаек М39х2 4Н5Н крепления крышки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, изготавливаемого в условия АО БМЗ.

В рассматриваемом случае получение экономического эффекта обусловленно четырьмя факторами:

- снижением трудоемкости обработки базового изделия (ЭО;

- снижением времени выполнения заточной операции (Эзат);

- снижением количества используемого инструмента (Эинстр);

- снижением неисправимого брака (Экач).

Таким образом годовой экономический эффект от использования круглого многониточного резьбового резца определялся: Эг от = Э1 + Эзат + Эинстр + Экач.

Были определены экономии, вызванные каждым слагаемым расчетной зависимости, в ценах 1995 г.

Ожидаемый годовой экономический эффект от использования в производстве предложенной технологии изготовления гайки М39х2 4Н5Н составит:

Эгот = 7286500 + 617701 + 455000 + 670410 = 9.029.000 руб.

Общие выводы работы.

1. Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил разработать новую технологию обработки точных внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ, позволяющую стабильно обеспечивать точность резьбы 4Н, 4Н5Н, с шероховатостью боковых сторон 11а<1.25 мкм, при высокой стойкости инструмента в условиях автоматизированного производства.

2. Разработанная технология получения точных резьб в сравнении с известными базовыми позволяет увеличить производительность в 2...4 раза за счет сокращения числа рабочих ходов до четырех.

3. Предложенная новая комбинированная схема срезания припуска, которая, в отличии от известных, обеспечивает стружкообразование в виде узких легкодеформирующихся полос прямоугольного сечения существенно улучшает динамику процесса обработки и снижает силы резания.

4. Разработанный комплекс АСНИ, с использованием возможностей ПЭВМ, позволяет получить наиболее точные оперативные данные при анализе и оптимизации предложенной технологии и конструкции инструмента.

5. На основе исследований силовых факторов процесса резьбообработки, разработана оптимальная конструкция рабочей части резца исходя из условий равномерности износа и распределения нагрузки по режущим кромкам, с учетом работы каждой из них.

6. Установленные оптимальные значения передних и задних углов, скорости резания, при условии обеспечения требуемого качества поверхности резьбы и минимальных сил резания, обеспечили

достаточно высокую прочность, надежность режущего клина и нормальную работу режущих кромок без сколов и разрушений.

7. Разработанная теоретическая методика оценки точности формообразования профиля резьбы и проведенный анализ, позволили определить область применения круглых многониточных резцов по rnaiy, диаметру и допуску на средний диаметр.

8. Разработанная технология обработки внутренних резьб рекомендована к применению в серийном производстве на АО БМЗ и позволяет получить годовой экономический эффект 9.029.000 рублей в ценах 1995 г.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Стешков А.Е., Хандожко A.B., Добровольский Г.И. Нарезание точных внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ // Информ. листок № 144-93.- Брянск,: ЦНТИ, 1993.

2. Стешков А.Е., Хандожко A.B., Добровольский Г.И. Нарезание внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ // Износостойкость деталей машин. Междурарод. науч. - техн. конф.: Тез. докл.- Брянск, 1994. - С. 29.

3. Стешков А.Е., Хандожко A.B., Добровольский Г.И. Нарезание точных внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ II Проблемы повышения качества машин. Международ, науч. - техн. конф.: Тез. докл.- Брянск ,1994.- С. 54.

4. Стешков А.Е., Хандожко A.B., Добровольский Г.И. Повышение эффективности обработки точных внутренних резьб на токарных станках с ЧПУ // Новые технологии и системы обработки в машиностроении. Науч. - тех. конф.: Тез. док.- Донецк ,1994,- С. 83.

5. Добровольский Г.И. Нарезание точных внутренних резьб большого диаметра // Современные технологии изготовления и сборки изделий: Республик, межведомств, сб. ст.- С.-Петербург, m5.-C.52

6. Добровольский Г.И., Стешков А.Е., Хандожко A.B. Автоматизированная система исследования нарезания резьб на токарных станках // Современные проблемы машиностроения и технический прогресс. Международ, науч. - техн. конф.: Тез. докл.-Донецк, I996.-C.28.9-14 сент.