Введение к работе
Актуальность проблемы. Значительная часть деталей, используемых в машино- и приборостроении, нефтегазовой промышленности, аэрокосмической и специальной технике, производстве товаров народного потребления, строительстве и других отраслях народного хозяйства содержит резьбы. Эксплуатационные характеристики данных деталей в существенной степени определяются качеством изготовления резьб. Существующие методы обработки резьб отличаются большим разнообразием. Большой вклад в разработку теории и практики обработки резьб внесли научные школы г. Москвы, Санкт-Петербурга, Брянска, Тулы, Челябинска. Из отечественной и мировой практики известно, что наиболее современным и перспективным способом получения резьб и профилей является высокопроизводительная обработка пластическим деформированием – накатывание. В работах А. Кепхарта, А.В. Киричека, И.В. Кудрявцева, В.В. Лапина, Э.П. Лугового, В.М. Меньшакова, Ю.А. Миропольского, Г.П. Мосталыгина, М.И. Писаревского, Ю.Г. Проскурякова, Э.В. Рыжова, Т.А. Султанова, А.И. Якушева, и многих других исследователей установлено, что накатанные резьбы имеют более высокую статическую и усталостную прочность. Однако, область применения этого прогрессивного метода в настоящее время ограничена.
Резьбонакатывание не нашло широкого применения в отечественной промышленности для изготовления как ходовых, так и крепежных резьб на ответственных тяжелонагруженных деталях, таких как ответственные болтовые соединения транспортной и строительной техники, ответственные соединения труб нефтяного сортамента и строительной арматуры. Одной из основных причин этого является то, что степень и глубина упрочнения, получаемые при накатывании резьб, часто являются недостаточными для ответственных тяжелонагруженных деталей. Повышение степени упрочнения может быть достигнуто путем применения труднообрабатываемых или предварительно упрочненных материалов. Однако, накатывание резьб на заготовках из подобных материалов практически не используется в отечественной промышленности вследствие малой стойкости инструмента и опасности разрушения витков накатываемой резьбы из-за исчерпания запаса пластичности. Накатывание не нашло широкого применения также для получения резьб со сложной криволинейной формой профиля (круглых, арочных, с замковым профилем и т.п.), крупных трапецеидальных и конических резьб. Одной из основных причин данных ограничений является отсутствие рекомендаций по выбору рациональных схем деформирования при формировании профиля резьбы. Выбор нерациональной схемы приводит к значительной неравномерности нагружения и повышенному износу резьбонакатного инструмента, возникновению значительных напряжений и накопленных деформаций, приводящих к разрушению накатываемой на заготовке резьбы.
Дальнейшее совершенствование технологии накатывания резьб и расширение области его применения сдерживается недостаточной изученностью процесса резьбонакатывания. Существующие рекомендации основаны в основном на эмпирических данных. В работах В.Г. Дейнеко, В.М. Меньшакова, М.И. Писаревского, Т.А. Султанова исследована кинематика процессов резьбонакатывания и точность накатывания резьбы. В трудах А.А. Грудова, П.Н. Комарова, А.В. Киричека, М.И. Писаревского, С. Чоудхари и В.Г. Якухина исследовалась площадь пятна контакта инструмента и заготовки при накатывании резьб. В трудах А.Ф. Кузьменко, Э.П. Лугового, Н.В. Соколова, Т.А. Султанова, К. Херольда проведена оценка контактных напряжений при накатывании резьб с использованием метода линий скольжения. Д. Домблески, Д. Мартин и Т. Савада моделировали накатывание резьбы методом конечных элементов. Однако, исследования носили фрагментарный характер и не привели к получению зависимостей, выявляющих характер влияния технологических параметров накатывания на напряженно-деформированное состояние инструмента и заготовки. Практически не исследовались скорости взаимного проскальзывания инструмента и заготовки, не изучено влияние погрешности резьбонакатного инструмента на накатывание резьбы.
Расширение области применения резьбонакатывания в первую очередь требует исследования силовых факторов процесса. Известно, что силы накатывания определяются мгновенной площадью пятна контакта и величиной контактных давлений. Контактные давления, в свою очередь, зависят от механических свойств материала заготовки и схемы деформирования. Несмотря на большое количество работ, посвященных классификации способов накатывания резьб, схемам деформирования при резьбонакатывании не уделялось достаточного внимания. Практика в данной области опередила теорию, в промышленности применяется несколько различных схем деформирования при накатывании резьбы.
Выбор рациональной схемы деформирования для накатывания конкретного профиля резьбы представляет собой достаточно сложную задачу. Локальная пластическая деформация при накатывании резьб и профилей носит сложный, объемный характер. Технологические процессы накатывания резьб и профилей невозможно в полной мере отнести ни к объемному, ни к поверхностному пластическому деформированию (ППД), так как хотя пластической деформации подвергается лишь поверхностный слой деформируемого тела, однако при этом имеет место существенное изменение его формы путем образования на поверхности периодически повторяющихся или единичных выступов и впадин. В связи с этим, процессы поверхностного пластического формоизменения занимают промежуточное положение между ППД и объемной обработкой давлением (поперечно-винтовой или поперечно-клиновой прокаткой, валковой штамповкой и т.п.).
Из существующих теоретических методов для исследования пластической деформации широко применяется теория пластичности. В связи со сложным, объемным характером пластической деформации при поверхностном пластическом формоизменении точное решение уравнений теории пластичности затруднительно. Наиболее перспективно моделирование полей напряжений и деформаций численными методами, в частности методом конечных элементов (МКЭ).
Значительная глубина упрочнения может быть достигнута статико-импульсной обработкой (СИО), предложенной А.В. Киричеком, А.Г. Лазуткиным и Д.Л. Соловьевым. СИО осуществляется в условиях сочетания периодического динамического и постоянного статического воз действия деформирующего инструмента на обрабатываемую поверхность. Динамическое (ударное) воздействие позволяет создавать большие напряжения в пятне контакта инструмента и заготовки при сравнительно небольшой затраченной мощности, а статический поджим способствует более эффективной передаче ударного импульса в очаг деформации. обрабатываемую поверхность. Важной особенностью СИО является возможность формирования гетерогенно упрочненного поверхностного слоя. Чередование более твердых участков с более вязкими способствует торможению микротрещин и повышению усталостной прочности материала. Надежные теоретические методики выбора режимов СИО резьб и профилей отсутствуют.
Цель работы: повышение эффективности и расширение области применения резьбонакатывания для получения ответственных тяжелонагруженных резьб на заготовках из труднообрабатываемых материалов, резьб с криволинейным профилем и крупным шагом, крупных конических резьб конструкторско-технологическими методами, основанными на стабилизации мгновенной площади пятна контакта, анализе напряженно-деформированного состояния сопряженных областей инструмента и заготовки, выборе рациональных схем деформирования.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
1. создание комплекса моделей процессов поверхностного пластического формообразования;
2. проверка адекватности теоретических моделей натурным экспериментом;
3. оценка связи износа инструмента с мгновенной площадью пятна контакта инструмента и заготовки;
4. установление закономерностей влияния геометрии инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий на форму и размеры пятна контакта;
5. выявление характера влияния на форму и размеры пятна контакта погрешности изготовления резьбонакатного инструмента;
6. определение рациональных схем деформирования;
7. установление закономерностей влияния геометрии инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий на поля напряжений и деформаций при накатывании резьб со статическим нагружением инструмента;
8. выявление характера связей между полями напряжений и деформаций и технологическими параметрами процесса СИО при накатывании резьб со статико-импульсным нагружением инструмента;
9. разработка рекомендаций по совершенствованию инструмента и технологий статического и статико-импульсного накатывания резьб и профилей;
10. разработка САПР резьбонакатного инструмента.
Научная новизна работы.
-
Разработаны теоретические положения проектирования инструмента для накатывания ответственных тяжелонагруженных резьб на заготовках из труднообрабатываемых материалов, резьб с криволинейным профилем и крупным шагом, крупных конических резьб, позволившие повысить его стойкость в 2…3 раза.
-
Установлено, что износ резьбонакатного инструмента пропорционален мгновенной площади пятна контакта инструмента и заготовки (МПК). Разработан комплекс математических моделей, позволяющих выявить характер влияния на МПК при накатывании наружных и внутренних резьб произвольной формы геометрических параметров инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий и погрешности изготовления резьбонакатного инструмента. Выявлен характер влияния на скорость взаимного проскальзывания инструмента и заготовки технологических параметров процесса резьбонакатывания.
-
Разработан комплекс математических моделей, позволяющих установить характер связей между полями напряжений и деформаций и конструкторско-технологическими параметрами процесса накатывания резьб со статическим и статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.
Практическая ценность работы
-
Созданы новые способы резьбонакатывания, позволяющие получать резьбы со сложным профилем, резьбы крупного шага, повысить степень и глубину упрочнения при накатывании резьб;
-
Разработаны системы автоматизированного проектирования инструмента повышенной стойкости для накатывания наружных и внутренних резьб с осевой подачей;
-
Разработаны рекомендации по проектированию рациональной технологии формообразования и упрочнения резьб со статическим и статико-импульсным нагружением инструмента, обеспечивающие возможность накатывания тяжелонагруженных резьб, в том числе на заготовках из труднообрабатываемых или предварительно упрочненных материалов.
-
Результаты исследований защищены 38 патентами РФ на изобретение и свидетельством на регистрацию программы для ЭВМ.
Результаты работы апробированы и внедрены на предприятиях машиностроительного комплекса Москвы, Набережных Челнов, Орла, Мурома и ряда других городов Российской Федерации. Отдельные научные результаты используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета.
Связь с научно-техническими программами: работа над диссертацией выполнялась в соответствии с тематикой ряда госбюджетных научно-исследовательских работ и грантов, в том числе:
-
Грант Президента РФ МК-2575.2005.8 «Совершенствование технологии накатывания резьб и конструкции резьбонакатного инструмента», 2005-2006 г.
-
Грант Минобразования РФ ТОО-6.6-303 «Инструмент, оснастка и технология формирования резьбы на упрочненных и трудно обрабатываемых материалах пластическим деформированием», 2001-2002 г.
-
Грант РФФИ 03-01-96481 «Исследование закономерностей формирования и влияния волны деформации на свойства нагружаемого материала», 2004-2005 г.
-
Тема №247/00 «Разработка информационного обеспечения конструкторско-технологической подготовки деформационного упрочнения ходовых винтов силовых несоосных винтовых механизмов» в рамках НТП «Качество и безопасность технологий, продукции, образовательных услуг и объектов», 2000 г;
-
Тема 210.01.01.011 «Разработка информационного каталога технологических методов обеспечения качества и продления жизненного цикла машиностроительных изделий» в рамках НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2003-2004 г.
-
Тема №227/00 «Разработка технологической оснастки и рекомендаций по использованию СИО для упрочнения тяжелонагруженных транспортных деталей» в рамках НТП «Научные исследования высшей школы в области транспорта. Наземные транспортные средства», 2000 г.
-
ЕЗН 1.3.08 «Решение сопряженной задачи контактного взаимодействия упругого вращающегося индентора с упругопластическим телом произвольной кривизны», 2008-2010 г.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на международных научных симпозиумах: «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа», Москва, МГТУ "МАМИ", 1999 г.; «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет», Орел, ОрелГТУ, 2006; Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies, Харбин (Китай), Harbin Institute of Technology, 2010; «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», Орел, ОрелГТУ, 2010; на международных научно-технических конференциях: "Теория и практика зубчатых передач", Ижевск, ИжГТУ, 1998 г.; "Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач", Тула, ТулГУ, 2000 г.; «Инструментальные системы машиностроительных производств», Тула: ТулГУ, 2008 г.; «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла», Брянск, БГТУ, 2001, 2005 и 2008 г.; «Высокие технологии в машиностроении», Самара, СамГТУ, 2004; «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», Санкт-Петербург, СПбГПТУ, 2005 г.; «Современные проблемы машиностроения», Томск, ТПУ, 2008 г.; «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации», Курск, КГТУ, 2005 г.; «Компьютерная интеграция производства и ИПИ технологии», Оренбург, ОГУ, 2007 г.; «Производство и ремонт машин», Ставрополь, СтГАУ, 2005 г.; «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологда, ВоГТУ, 2005 г.; «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», Орел, ОрелГТУ, 2002-2010 г.; «Инженерные системы», Москва, МФТИ, РУДН, 2007-2010 г.; «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении», Воронеж. ВГТУ, 2010; «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2007 и 2009 г.; «Инженерия поверхностей и реновация изделий», Харьков (Украина), ХПИ, 2006; «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении», Краматорск (Украина), ДонГМА, 2008; на всероссийских научно-технических конференциях: "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении", Владимир, ВлГУ, 1998 г.; «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений», Рыбинск, РГАТА, 2009 г.; Научной конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", Н. Новгород, НГТУ, 1999 г.; Всероссийских научно-практических конференциях «Современные проблемы в технологии машиностроения», Новосибирск, НГТУ, 2009 г.; "Современные технологии в машиностроении", Пенза, ПДЗ, 1999 - 2001 г.; «Современные технологии в машиностроении», Набережные Челны, КамПИ, 2004 г. XXXIV Академических чтениях по космонавтике, Москва, МГТУ им. Баумана, 2010 г. Молодежных научно-технических конференциях "Гагаринские чтения", Москва, МАТИ - РГТУ, 1998 и 2000 г, на ежегодных научных конференциях преподавателей и сотрудников Орловского государственного технического университета в 2004-2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 142 печатные работы, в том числе 2 монографии, 24 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени доктора технических наук, 36 патентов РФ на изобретение и свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов работы; выполнена на 396 станицах и содержит 112 рисунков, 20 таблиц, список использованной литературы из 251 наименования, приложений.
