Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Развитие машиностроения базируется на создании высокопроизводительного оборудования, передових технология обработки и сборки. Для соединения деталей наиболее часто применяют резьбу. Анализ литературных источников и технической документации показал, что свыше 25 деталей машин заполняются с внутренней резьбой. Среди них значительное место занимают детали, имеющие внутреннюю рьзьбу с малой.длиной сбега (детали пневмо- и гидроприводов, специзделий и т.д.). По рекомендациям справочно-нормативной литературы при получении внутренних резьб с малым сбегом из-за более тяжелых (по сравнению о нарезанием наружных резьб) условий работы инструмента и возрастающего числа его отказов на практике снижают режимы резания. Кроме того, анализ производства позволил установить, что в большинстве случаев такая резьба образуется методами, основанными на перемещении реанущей части інструмента (после врезания) в осевом или тангенциальной направлениях. Это ограничичивает число режущих кромок, одновременно участвующих в работе, а значит - .; производительность резьбообразования. В то кэ время, такой анализ показывает, что решить задачу повышения производительности, используя традиционные способы резьбообразования, не представляется возможным. Поэтому з производственных условиях для обеспечения планового выпуска деталей, как правило,-устанавливают дополнительное оборудование. Также выявлено: при нарезании внутренних резьб традиционными способами в результате нерациональной нагрузки технологической системы происходит ониаение точности образуемой резьбы.
Учитывая потребности производства, отсутствие ресурсов повышения производительности процесса образования внутренних резьб с малым сбегом известными способами, задачу повышения производительности резьбообразования можно решить на осн~ве принципиально новых подходов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение производительности процесса нарезания внутренних резьб с малым сбегом.
В соответствии с состоянием вопроса поставлены следующие задачи:
-
Систематизировать известные способы образования внутрен них резьб с малым сбегом, провести их анализ и на етой основе выявить возможности создания новых высокоэффективных способов получения внутренних резьб с ограниченной длиной сбега.
-
Провести аналитическое исследование предложенного способа резьбообразованкя о целью определения условий, обеспечивающих высокую производительность и требуемую точность процесса образования внутренних резьб с ограниченной длиной сбега.
-
Разработать и исследовать технологическую оснастку, необходимую для осуществления нового способа резьборбразования.
-
Выполнить експериментальную проверку результатов теоретических исследований и конструкторских решений по реализации данного способа и разработать методику проектирования операции нарезания внутренних резьб атим способом.
-
Внедрить результаты исследований я производство.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При выполнении теоретических исследований использованы метода аналитической геометрии, дифференциального и интегрального исчисления, метода теории подобия и программирования на ЭШ. При планировании эксперимента и обработке результатов исследований применены известные метода математической статистики. '
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная -новизна работы заключается в следующем: на основе анализа существующих методов обработки резьб разработан новый высокоэффективный способ образования резьбовых поверхностей с мальм сбегом, который назван радиально---в р-е з н ы м; разработана математическая модель радиально-врез-ного.резьбообразования, учитывающая основные особенности данного процесса,связь конструкции резьбового отверстия с составляющими непрерывной радиальной подачи, их влияние на геометрию инструмента и нагрузку на технологическую систему; определены условия протекания процесса резьбообразования, обеспечивающие минимальную нагрузку на технологическую систему при ограниченных осевых перемещениях инструмента и механизм влияния ее погрешностей на точность нарезаемой резьбы.
Новизна технических решений подтверждена авторскими свиде -тельствами СССР.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Применение способа радиально--врезного образования внутренних резьб с малым сбегом позволило повысить'производительность изготовления деталей о внутренней резьбой с малым „бегом в 1,5+4.5 раза. Для успешной реализации этого способа в условиях производства в работе:
создан пакет прикладных программ, позволяодих проводить компьютерное исследование нового способа и существенно ускорить выбор рациональных технологических параметров резьбообразования;
разработана методика инженерного проектирования процесса радиально-врезного резьбонарезания;
спроектирована, изготовлена, экспериментально опробована и внедрена в производство оснастка для резьбообразования;
получены аналитические зависимости для оценки надежности резьбонарезания новым способом.
Результаты экспериментов и производственные испытания подтвердили теоретические выводы, полученные в работе, и показала высокую производительность нового способа резьбонарезания.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ. Новый высокопроизводительный радиально--врезной способ образования внутренних резьб с малым сбегом и результаты его исследования; выбор путей его реализации; методика расчета основных параметров процесса образования резьбы таким способом при минимальной нагрузке технологической системы; новые конструкции технологических наладок для реализации радпально--врезного резьбонарезания; результаты лабораторных и производственных испытаний по нарезанию внутренней резьбн с непрерывной радильной подачей резьбовых гребенок; '
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы внедрены в г. Шассе на ПО УралАз. Годовой экономический-'вфїект составил 4,044 тыс.руб. (в ценах 19В9 г.).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Отделышв раздела а работа в це._оы докладывались и обсуадались:
1. На научно-технических конференциях в Челябинском политехническом институте им.Ленинского комсомола и его филиале а г.Златоусте в 1981 - 1989 г.г.
-
На всесоюзной научно-технической конференции в г.Леннн-граде в 1986 г.
-
Резьбонарезная головка для нарезания резьбы по новому способу демонстрировалась на юбилейной выставке ЧПИ в 1932 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 11 работ.
СТРУКТУРА И 0ЕШ1 РАБОТЫ- Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы,-включающего 139 наименований. Работа содержит 265 страниц машинописного текста, 73 рисунка и 17 таблиц, приложения.
ГЕОМЕТРО-КИНЬМАТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РЕЗЬБОНАРЕЗАНИЯ В ОТВЕРСТИЯХ С МАЛЫМ СБЕГОМ РЕЗЬБЫ Анализ технической литературы и производственные наблюдения автора показывают, что градационные способы образования резьб (нарезание резцом, метчиком, гребенкой и т.п.), применяемые при обработке внутренних винтовых поверхностей с коротким сбегом или "в упор", не обеспечивают нужной для практики производительности, а зачастую, язляюгея просто неприемлемыми.. Кроме того, процесс розьбокарезания, как правило, протекает при действии неуравновешенных осевых и радиальных сил, приводящих к подрезанию формируемого профиля резьбы, и, следовательно,-к снижению ее точности.
Разработке вопроса повышения точности образования резьб в нашей стране и за рубежом посвящено большое число исследований. Среди них известны работы А.И.Исаева, В.В.Матвеева, И.Я.Мирнова, Т.А.Султанова , А.С.Ямниновэ, В.Н.Выбойцика, А.%.Черного, К.Ма-сахири и др. Они вскрыли механизм образования погрешностей резьбы, разработали прогрессивные конструкции резьбообразуодего инструмента и технологической оснастки, позволяющих получать резьбы высокой точности в различных технологических условиях.
Работы других исследователей, занимавшихся в области реэьбо-образовшаш, в часности, работы М.Н.Бокина, В.Ф.Боброва, М.Х.Гольфельда,А.А.Грудова, А.П. Комарова, В.Н.Сидорова-, С.Д.Смирнова,.А.С.Пущина посвящены исследованию путей и методов , повышения производительности резьбообразования и стойкости инструмента. Однако в работах етих авторов не рассматриваются вопросы получения.резьбовых поверхностей с малым сбегом. Поэтому их результаты зачастую на могут быть использованы с положительным
вффектом в рассматриваемом случае. Известно также, что в работах . И.А.Когаяова, А.С.Ямникова и В.П.Кузнецова изучалась проблема стоншення віррективнооги. однопроходного резьбонарёзания путем увеличения числа одновременно работающих режущих кромок. Ими было проведено исследование процесса образования внутренней резьбы многорезцовой одновитковой резьбовой головкой. Дальнейшее развитие этого направления, как показывет его анализ, представляется перспективным. Поотому основной задачей настоящей работы является разработка и исследование условий, обеспечивающих высокую производительность образования внутренних резьб при ограниченных осевых перемещениях инструмента за счет увеличения числа одновременно работающих рекуцих кромок.
Поиск новых технических решений выполнен на основе схематизации известных методов резьбообработки о учетом нового прпзнака-- числа реиущих одновременно участвующих в работе, в отличие от ранее применяемых. Так, наприер, в работах О.А.Этин и В.Г.Якухіша систематизация известных методов резьбообрззования проводилась по их кинематическим схемам и способам обработки.
Учитыавая новый признак, существующие схемы и метода резьбооб-разования были сгруппированы и расположены в порядке возрастания именно втого показателя, т.е. числа одновременно участвующих в работе режущих кромок (табл.1).'
На снове синтеза известных методов резьбообразования, приведенных в таблице, установлено, что для обеспечения макссимально возможного числа одновременно работающих'рекущих кромок необходимо, чтобы до начала резьбонарёзания лезвия инструмента перекрыли всю глубину обрабатываемого отверстия_(как у гребенчатой фрезы) и были, расположены по его периметру в максимальном количестве (как у метчика или резьбонарезной головки). В этом случае для резьбонарёзания лезвия инструмента должны синхронно перемещаться в радиальном направлении (что обеспечивается непрерывной радиальной подачей) с одновременным их вращением и перемещением по шагу резьбы. Такой способ в работе был назван радиально-вроз-
НЫЦ.
Сущность радаально-врезного способа резьбонарёзания заключается в следующем. Рабочая часть вращающегося инструмента со сдвинутыми к его оси резьбообразующима одемснташ-резьбовыми гребенка-
* І.С. 854626 (СССР).
Увепичэкие числа одновременно работавших режудим кромок по периметру отверстия г
Кї вводится в обрабатываемое отверстии заготовки. При ото>л гребенки долп-ш перэкршать отверстие на всоЗ его длине. После чего резьбовш гребенкам сообщается непрерывная радаальная подача. Инструмент, вращаясь, обеспечивает заданную- скорость резаїшя. Его осевоо перемещение доогпзю соответствовать шагу образуемой резьбы. Переыецаясь в радиальном направлении, рекущке нрошої рззьбовнг грэбепок достигают поверхности отверстия заготовці п вре^автея з нее, образуя винтовые канавки. Поело выхода Еорзшшщ рекуїдях кромок на расчетшЗ размер радаальная подача прекращается и производится зачистка и калибрование полученной рэзьбы. Затем резьбовые гребенки сдвигаптся к оси инструмента и его рабочая чаоть, несущая резьбовые гребенки, выводятся из отверстия.
Располокеккэ лезвий инструмента вдоль всей длины образуемой резьбовоп поверхности и непрершная радаальная подача позволяют вести обработку резьбц пак щн ввинчивании, так и при вывинчивании инструмента из отверстия, что в отдельных ТЄ2ЕОЛОГИЧ9СКПЗ условиях может увеличить над9!шость его работа.
Изучение кинематика радиадыго-врезнсго рззьбоойразовзнля полизало, что этот процесс, благодаря синхронному дззпэппа рззьбовт гребенок, можно исследовать на претерэ двизэнял рззьбешг рззцев (iro одасыу от кавдой гребенки), сбразуйцяг одаз витої: рэзьбы. Кз рис.1 приведена схема движения трез: розьбознз рэсцоз (при н^рэзг,-занкя резьба трзня гребенка;л), и еэ графическая пягзрпрзтЕцял. Полностью варианта цяклогрбум образования резьба погязаіп-ї і?а рис.2.
При исследования препзеза рэзьбообрззэзатсст установлено, что поззниз пэрзоизчз;пэ"щ»:»сэдп:? п сйлсггшч мэтзддэ нз угдэ поворота ппгтру^эпта 0<2П/ЇЇ (а*. рта.і;а), где її - чисто рззібозсг гр-гйояс::, йП/ГІ-углопсп пар рзсполетзпзл гребено::). Поолз певерстз
Схеиа процесса врезания при радааяьш-врезнои образовании резьба
t « 2MI/N
г)
t1 = US'; Є* *2П1* в)
а - этап. I-врезание; б - этап II- резашз о перекрытием; виг графическая интерпретация первого и второго этапов
Рио.1
В работе бшга установлены рациональные резтш радаальво-Ерез-ного резьбонарэзания, определены кинематически и силовые характеристики процесса, которые взаимосвязаны о глубиной резания к толщиной среза.отдельный зубом рабочего элемента инструмента. На основании расі к 2.глубина резания в общем случае ыоззт бать-определена по зависимости
tj= ts" . ' (1)
где к-ковффициент пропорциональности, зависящий от шага резьбы и числа оборотов лля врезания,* -текущий угол поворота инструмента, пропорциональный числу его оборотов і,.
Кинематические характеристики процесса как,' входящие в анракение (1) и зависящие от .основных технологических параметров резьбообразованкя вычислялись по фордозд:
\и '
k=t / {ZUlf
') -intj f ІП(1-1/І1І),
U)
Ifejlntt^'a*1) -intj /Щ(1-1/Ш), (3)
где &z - толщина- среза вернэшой реврхзй крогсгоа в конца второго этапа,«а^ ч,- расчетная глубин. Ерезания, равная глубине шадинн
Варлантіа цвклогрвші радиаяьно-врозного резьСосбразования
а - при постоянной радиальной подаче (№=1), б - пря переменной, затухающей радиальной подаче (Ы<1), в - при переменной возраставшей радиальной подаче (И>1)
Риє.2 '
рвзьбн.Шї і - число оборотов инструмента от Начала врезания. до выхода вершнвой ревущей нромки на раечетинй размер резьбы. Зтот параметр на основании вше изложенного и рис.2 находится
мз условия получения разьбк при' осевом перемещении инструмента, нэ преЕызажцем заданной длины сбега резьбы или сараны зарезьбо-еой канавки. Вэличива і определяется по внрааэншэ
is^/P - 2ПЛИ 1.1-1,3)2П/Н, (4)
где Р - шаг резьбы, кы; (1,1*1,3)2П/К - часть утла поворота инструмента, необходимая для калибрования резьбы; b - ширина за-резьбовоЗ канавка.
Для установления ошшиаюотп скорости радиальной подачи от ки
нематических параметров резьбообразовання, продифференцировав вн-
разешя (1) и учитывая itq;V*dt/dr, G^uG/clt, подучим формулу
для расчета скорости радиальной подачи резьбовых гребенок в сле-
следукщем виде (
Уг=шен*' . ' (5)
Из выражения (5) видно,что при F.3=1 скорость радиальной подачи постоянна, а пря М<1 їши М>1-пре}ленна.
С цельв определения рациональной радиальной подачи, обеспечивавшей требуемую призводительноеть резьбообразоваяия, в работе выполнен совместный шаяиз циклограм процесса получения резьбы новый способов ц зависимостей для расчета составлявших силы резания. Поскольку из практики известно, что при значительных силах резания существенно снижается работоспособность инструмента в результате поломок и вцкрашшаний его ренущих кромок, что, в . итоге, приводит к снввеншо производительности и потере точности' обработки. Поэтому скорость радиальной подачи помимо обеспечения требуемой производительности додана обеспечить и протекание данного процесса при минимально еозшеной силе резания. В работе поучены авалитическте зависимости для расчета составляшцих сила резания для всех етапов резьбонаргзаная, основанные на рекомен -дациях теории подобия, и вклвчекщиэ параметри нового процесса (см. зависимости 1-3). Так, например, зависимость для расчета главной составляющей силы резания, действующей на боковой кромке одного рвзьбообразуйщего выступа, пря работа на втором етапе' циклограммы (см.рис.2) имеет вид
РІЇ - **-* U 4- W.S5 Рь/ВьВаь | , (6)
_ .ь/г
/а
ЬГ / 8ln а.
где вг=8 - (6-2П/Ы); т - сопротивление обрабатываемого ыатериа-
r2J ~ 2COS? ър |1+ "Т"
Влияние параметров нарезаемой резьбы на величину эквивалентных напряжений в рабочем елементе корпуса
а-от шага резьбы; б-от глубины отверстия; з-от числа оборотов для врезания
Рис.4
прерывную радиальную подачу резьбовым гребенкам, выполнено аналитическое исследование условий образования профиля при фрезеровании торцевой фрезой. При втсм установлено, что при совпадении центра фрезы с центром фрезеруемой дорожки, возникает погрешность профиля в радиальном сечении (по высоте). Это ухудшает условия работы кулачка и толкателя. Для устранения указанной погрешности предложено смещать центр фрезы с центра обрабатываемой дорожка. Получены аналитические зависимости для определения положения центра фрезы.
Теоретические вывода работы, надежность и работоспособность разработанной оснастки проверены при экспериментальном исследовании, нового способа. Проведены следующие експерименти: определены рациональные величины заднего угла и радиальной подачи, а также ломающей-'подачи для резьбы с шагом Р=1,5 - ш, сравнительное резьбонарезание с постоянной и переменной радиальной подачами, форсированные испытания резьбовых гребенок на стой-" кость. Установлено, что при нарезании резьбы в заготовках из стали 35Л и подаче в-0,3 мм/об наработка составляет 6-1-9 дета-. деталей. Снижение подач до 3=0,18+0,21 мм/об увеличивает наработку в Зі5+4 раза, тогда как наработка метчика, нарєзаїлдсго резьбу М80х1,5 составляет примерно 20 детелей.
Влияние вида' яодачл на величину момента резания при работе с постоянной подачей (см. рте.2,а) и о переменной подачей,"обаспе-чиваицей работу по равносиловой схеме показано на ркс.5.
Примеры осциллограмм и расчетных изменений момента резания при нарезании внутренней резьбы М80х1,5
1- при постоянной радиальной подаче; 2- при переменной радиальной подаче: а- расчетные значения, б- фактические.
Ряо.5
В результате обработки экспериментальных данных получены
зависимости: .
- главной составляющей силы'резания, приходящейся на один
резьбовой выступ резьбовой гребенки, например, для стали 20:
Pz=362.09-1,2507 - 0.149Т -27.65Н, ' (11)
где 7 - передний утолж, град} 7 - скорость резания, м/мин;
- 'числа обработанных деталей.от параметров процесса резьбона
резания "..'
n =24.214/^-90^.3 tV» . (12)
где-tjj - среднеинтегральная глубина резания ,ш.
В ходе проведенных испытаний доказана возможность увеличения производительности резьбонарезания в отверстиях с малым сбегом резьбы при непрерывной радиальной подаче от 1,5 до 4,5 раз.
Расчеты, проведенные по результатам экспериментов, и производственные испытания показали увеличение наработки нового
инструмента по сравнению с метчиком, работавшим в аналогичных
условиях, от 2 до 7 раз. Результаты испытаний подтвердили правильность принятых в работе гипотез и полученных теоретических зависимостей. Выполненные экономические расчеты также подтвердили эффективность нового способа резьбонарёзания.
На основе данных теоретических и экспериментальных исследования рззрабо'ина методика ишенерного проектирования, реализованная в пакете.прикладных программ.
