Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса. цель и задачи исследований : 10
1.1 Общие сведения о высокопрочных полимерных композиционных материалах (ВКПМ) 10
1.2 Физико-механические свойства ВКПМ 11
1.3 Номенклатура изделий из ВКПМ, имеющих в конструкции резьбовые соединения 16
1.4 Анализ технических требований предъявляемых к деталям из ВКПМ... 20
1.5 Особенности механической обработки деталей из ВКПМ 26
1.6 Основные особенности процесса нарезания резьбы метчиками 33
1.7 Конструктивные элементы машинных метчиков, применяемых для обработки ВКПМ 37
1.8 Эксплуатационные характеристики процесса нарезания резьб метчиками 42
1.9 Качество резьб, образованых режущими метчиками 44
1.10 Цель и задачи исследования 46
ГЛАВА II. Влияние конструктивно-геометрических параметров метчика на силовые характеристики процесса резания и износ инструмента. зависимость величины предельной нагрузки от геометрических параметров резьбы 50
2.1 Определение величины крутящего момента при нарезании резьбы 50
2.1.1 Величина крутящего момента при резьбонарезании 50
2.1.2 Определение площади слоя, срезаемого единичным зубом 55
2.1.3 Влияние КГП инструмента и технологических параметров на точность изготавливаемой резьбы 66
2.2 Напряженно деформированное состояние и износ режущего инструмента при нарезании резьбы в высокопрочных полимерных композиционных материалах 70
2.2.1 Особенности напряженно-деформированного состояния и износа метчика при обработке ВКПМ 70
2.2.2 Напряженное состояние метчика в процессе нарезания резьбы в ВКПМ 74
2.2.3 Деформации метчика в процессе нарезания резьбы в ВКПМ 77
2.2.4 Износ метчика при обработке ВКПМ
2.3 Напряженное состояние болтового соединения 84
2.4 Распределение напряжений между витками внутренней резьбы и их влияние на способность соединения воспринимать рабочие нагрузки 91
2.5 Влияние диаметра отверстия под резьбу на предельные значения 95
рабочих нагрузок 95
2.6 Выводы 99
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования влияния режимных характеристик процесса резьбонарезания и конструктивно-геометрических параметров инструмента на точность изготовления внутренней резьбы 101
3.1 Исследуемый режущий инструмент и экспериментальные образцы 102
3.2 Экспериментальная установка 105
3.3 Оценка адекватности теоретического метода определения величины крутящего момента при резьбонарезании 110
3.4 Зависимость отклонения от круглости отверстия под нарезание резьбы от технологических параметров операции 113
3.5 Влияние высоты витка внутренней резьбы на несущую способность соединения 116
3.6 Несущая способность и характер разрушения внутренней резьбы из ВКПМ 121
3.7 Износ метчика при нарезании резьбы в ВКПМ 126
3.8 Выводы 132
ГЛАВА IV. Методика проектирования операции резьбонарезания в деталях из ВКПМ 134
4.1 Синтез новых технических решений РИ 134
4.2 Разработка базы данных осевого инструмента для обработки ВКПМ 150
4.2.1 Компоненты управления базами данных 150
4.2.2 Схема взаимодействия компонентов в приложении 151
баз данных 151
4.3 Оптимизация режимов резания 156
4.3.1 Оптимизация режимов резания операции сверления 157
4.3.2 Оптимизация режимов резания операции резьбонарезания
4.4 Методика проектирования операции резьбонарезания 171
4.5 Выводы 178
Основные выводы и результаты работы 179
Список литературы
- Номенклатура изделий из ВКПМ, имеющих в конструкции резьбовые соединения
- Величина крутящего момента при резьбонарезании
- Зависимость отклонения от круглости отверстия под нарезание резьбы от технологических параметров операции
- Оптимизация режимов резания операции резьбонарезания
Введение к работе
Актуальность работы.
Высокопрочные композиционные полимерные материалы (ВКПМ) представляют собой материалы на основе полимерного связующего с заданным распределением в нем армирующих элементов. Доля резьбовых соединений в деталях из ВКПМ составляет около 40%.
Показатели качества резьбовых соединений (статическая прочность, усталостная прочность, стопорящие свойства и их стабильность) в значительной степени определяются параметрами качества внутренней резьбы (характеристики отклонений формы, шероховатости, физико -механические свойства), формируемыми на стадии изготовления. Обеспечение этих параметров при изготовлении зависит, как от свойств материала, так и от ряда технологических факторов.
Одной из основных причин, сдерживающих широкое применение резьбовых соединений в изделиях из ВКПМ, является сложность обеспечения требуемой точности диаметров и шага внутренней резьбы, вследствие отсутствия методик по проектированию режущих инструментов для обработки ВКПМ, прогнозных моделей, устанавливающих взаимосвязь между технологическими параметрами процесса механической обработки и параметрами качества изготавливаемого изделия. Исходя из вышесказанного, возникает необходимость в разработке технологии изготовления резьбовых соединений, позволяющей стабильно обеспечивать комплекс параметров качества витков резьбы, в зависимости от функционального назначения резьбового соединения.
Таким образом, исследования, направленные на разработку научно-обоснованной методики проектирования операции резьбонарезания, на основе управления технологическими параметрами процесса в соответствии с конструктивными особенностями применяемого инструмента и физико -механическими свойствами обрабатываемого материала, обеспечивающей требуемые параметры качества резьбы при повышении производительности обработки, являются актуальными.
Работа выполнена при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках проведения программ «Участник молодежного научно-инновационного конкурса 2009» и «Студенты и аспиранты - малому наукоемкому бизнесу - Ползуновские гранты».
Цель работы.
Повышение производительности изготовления внутренней резьбы в деталях из высокопрочных композиционных полимерных материалов путем назначения оптимальных режимов резания на основе анализа влияния технологических параметров процесса на качество резьбового соединения.
Методы и средства исследований.
Теоретические и экспериментальные исследования проводились на базе научных основ технологии машиностроения, теории резания, теории упругости анизотропного тела, математического моделирования. Обработка
экспериментальных данных проводилась методами математической статистики.
Научная новизна.
Разработана математическая модель операции изготовления внутренней резьбы в деталях из высокопрочных композиционных полимерных материалов на основании соотношений, определяющих силовые характеристики процесса резьбонарезания, число одновременно работающих режущих лезвий метчика, площадь суммарного сечения срезаемого слоя, суммарную длину режущих кромок, переменное расстояние режущей кромки от оси метчика.
Получена модель оптимизации режимов резания операции резьбонарезания с учетом затрат на стандартный и специальный инструмент, на основании установленных соотношений, связывающих технологические параметры операции и период стойкости, напряженно-деформированное состояние инструмента.
Получены соотношения, связывающие технологические параметры операций сверления и резьбонарезания в деталях из высокопрочных композиционных полимерных материалов и параметры качества: статическая прочность соединения, отклонения от круглости диаметров внутренней резьбы.
Практическая ценность.
Информационное обеспечение (свидетельство Роспатента № 2009620047 об официальной регистрации базы данных), для автоматизации процесса выбора осевого режущего инструмента для обработки ВКПМ.
Конструкции режущего инструмента: «Метчик для нарезания резьбы в глухих отверстиях» (патент на изобретение № 2415737 Российская Федерация, МПК7 В 23 G 5/06 от 10.04.2011), «Метчик» (патент на полезную модель № 98162 Российская Федерация, МІЖ7 В 23 G 5/06 от 10.10.2010), позволяющие увеличить период стойкости метчика и повысить качество изготовления резьбы в композиционных материалах.
Разработана методика проектирования операции резьбонарезания в деталях из высокопрочных композиционных полимерных материалов, на основе оптимизации режимов резания с учетом математической модели расчета погрешности обработки отверстий, физико-механических свойств материала, разработанных рекомендации по назначению технологических параметров операции и конструктивных параметров применяемого инструмента.
Реализация работы.
Разработанная методика проектирования и рекомендации по назначению технологических параметров операции резьбонарезания внедрена на этапе технологической подготовки производства в ЗАО НІШ «АЛТИК». Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 185 тыс. рублей в год.
Апробация работы.
Основные положения и результаты исследований докладывались на VI -VIII всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы по-
вышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе» (г. Новосибирск, 2008 - 2010), IX - X городских научно-практических конференциях «Молодежь - Барнаулу» (г. Барнаул, 2007-2008), V - VI всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (г. Барнаул 2008 - 2009), III всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством образования, продукции и окружающей среды» (г. Бийск, 2008), I международной научно-практической конференции «Инновации в машиностроении-2010» (г. Бийск, 2010).
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 16 печатных работах. В том числе 2 статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации работ соискателей научных степеней, получен 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации БД, 9 тезисов докладов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 183 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 137 наименований. Общий объем - 212 страниц.
Номенклатура изделий из ВКПМ, имеющих в конструкции резьбовые соединения
Вместе с этим немаловажным фактором, влияющим на работоспособность деталей и конструкций из ВКПМ, является свойство ползучести рассматриваемых материалов. В то время как ползучесть, вызванная усилиями, направленными вдоль волокон относительно невелика, сдвиговая ползучесть может быть весьма значительной [79, 103j. В связи с этим явления ползучести оказывает значительное влияние на работоспособность резьбовых соединений и других длительно работающих конструкций. Стоит отметить что, несмотря на ряд теоретических и экспериментальных исследований [ ""9, 71. 38. 36], проведенных в этом направлении, проблема длительной прочности анизотропных ВКПМ, особенно в условиях сложного напряженного состояния, далека от своего окончательного разрешения.
ВКПМ сохраняют высокое сопротивление при кратковременном воздействии силовых и тепловых нагрузок (при этом температура материала может подниматься до нескольких сотен градусов). Следует отметить, что температурное воздействие все же снижает механические свойства материалов, что должно учитываться и в условиях кратковременного воздействия на элементы конструкций, выполненных из ВКПМ [79. 103].
Существенное влияние повышение температуры оказывает на ползучесть и длительную прочность ВКПМ. С повышением температуры скорость ползучести повышается, а предел длительной прочности падает [36]. При высоких температурах снижение длительной прочности может быть столь значительным, что конструкция с высокой степенью вероятности может ока заться непригодной к эксплуатации, даже в течение небольших промежутков времени. Теплофизические характеристики ВКПМ (коэффициенты теплопроводности и тепловой деформации) носят тензорный характер, в виду общей анизотропии свойств материала, характеризуемых этими коэффициентами [79. J 21]. Эти коэффициенты, так же как и упругие свойства материала существенно зависят от температуры. Кроме того, при высоких температурах ВКПМ должны рассматриваться уже не как упругие, а как упруго-вязкие материалы [79. 36].
ВКПМ обладают высокой усталостной прочностью, что наряду со значительными демпфирующими свойствами в этом отношении делает их вполне конкурентными с традиционными конструкционными материалами и сплавами [79, 103].
В завершении рассмотрения физико-механических свойств стоит отметить, что исследования в области механики ВКПМ идут в двух направлениях [79, 36]. Первое направление носит в основном феноменологический характер. Здесь на основании изучения макроскопических свойств ВКПМ строятся теории их деформации, прочности, а так же теории расчета различных конструкций из этих материалов.
Второе направление рассматривает ВКПМ как композиционный материал, состоящий из связующего и наполнителя (стеклоткани, стекловолокна и др.). Здесь на основании изучения механических свойств связующего и наполнителя, характера наполнителя и способа его укладки и процентного содержания в общем объеме материала строятся теории механического поведения [71 ].
Область применения ВКПМ охватывает почти все отрасли промышленности. Благодаря особенностям физико-механических свойств композиционные материалы нашли применение в авиастроении, химической промышленности, нефтегазовой отрасли, автомобилестроении, производстве бытовых товаров, сельском хозяйстве, строительстве [103, 121J. ВКПМ применяют как конструкционный и теплозащитный материал при производстве корпусов лодок, катеров, судов и ракетных двигателей, кузовов автомобилей, цистерн, рефрижераторов, радиопрозрачных обтекателей, лопастей вертолётов, коррозионностойкого оборудования и трубопроводов, небольших зданий, бассейнов для плавания и др., а также используют как электроизоляционный материалы (корпуса изоляторов, дугогасительные камеры) в электро-и радиотехнике f 103, 121, 1 17].
Механические соединения композиционных материалов делятся по видам используемых металлических креплений на клепанные, штифтовые и резьбовые [ 117J. Применение того или иного вида соединений зависит от типа нагрузок (статические или динамические), надежности, легкости в производстве, стоимости и специальных условий (необходимости получения съемных, подвижных и других типов соединений).
Соединения с помощью болтов являются типичными и полностью обеспечивают необходимую прочность, как в осевом, так и в радиальном направлениях. Резьбовые соединения применяются в тех случаях, когда необходима многократная сборка-разборка деталей из ВКПМ. А так же в тех случаях, когда использование других типов соединений невозможно вследствие конструктивных особенностей сопрягаемых деталей (затруднен доступ к одной из поверхностей, что делает невозможным сборку с помощью клепок или болтов и т. д.) J" I 17, 103].
Величина крутящего момента при резьбонарезании
Нарезание резьбы является наиболее применяемым способом в процентном соотношении к другим методам изготовления резьбы. Но кинематика процесса нарезания резьбы метчиками имеет свои особенности и законо мерности, без рассмотрения которых невозможно получить реальную теоретическую оценку выходных параметров (надежности, точности, производительности и т.д.).
При исследовании процесса нарезания резьбы в большинстве случаев не рассматриваются температурные факторы. Это вполне правомочно, если принять распространенное в работах по резанию металлов мнение, что напряжение в зоне стружкообразования и на передней поверхности при резании не зависит от условий резания, а определяются только прочностными характеристиками материала 134, 62]. Однако необходимо отметить, что согласно другой точке зрения на напряжение при резании существенное влияние оказывают и деформация в зоне резания, скорость и температура, влияние которой должно учитываться при рассмотрении вопросов, связанных с расчетом характеристик процесса стружкообразования [34, 110J.
Поскольку при нарезании резьб одним из основных факторов, влияющих на условия работы инструмента и качество изготавливаемой резьбы, являются действующие силы резания, рассмотрим схему сил, возникающих при нарезании резьбы метчиком. Согласно теории резания (Мерчанта Ф. и Зворыкина К. А.) расчет сил резания, действующих на стружку со стороны передней поверхности и плоскости сдвига, основывается на условиях их равновесия, а так же на определении угла наклона плоскости стружкообразования [34].
При нарезании резьбы метчиком радиальные силы резания направлены к оси метчика и уравновешивают друг друга (т. к. инструмент симметричен относительно оси вращения), а направление действия осевой силы резания остается неизменным при прямом резании, переменное значение имеет лишь крутящий момент.
Крутящий момент на метчике при резании определяется суммированием крутящих моментов, соответствующих всем одновременно работающим режущим зубьям инструмента. Поскольку необходимым условием при рассмотрении процесса резания с точки зрения статики является равновесное состояние системы, то к метчику должен быть приложен крутящий момент, уравновешивающий момент Мкр, возникающий при резании. С учетом схемы сил (рисунок 2.1), и полагая момент резания равным произведению тангенциальной составляющей силы резания на половину наружного диаметра нарезаемой резьбы, формула для несвободного резания имеет вид [49]:
Схема сил в плоскости стружкообразования, где: R - сила стружкообразования, Н; Rv - проекция силы стружкообразования на передней поверхности на ось у, Н; F — нормальная составляющая силы R, Н; ас — толщина среза, мм; N - касательная составляющая силы R, Н; w - угол действия силы стружкообразования, град; К? — безразмерный коэффициент запаса прочности; п —угол трения, град; у - передний угол, град; РТ - касательная составляющая силы стружкообразования, Н; (Ру-угол наклона условной плоскости стружкообразования (сдвига) , град. где K{ — безразмерный коэффициент запаса прочности; Sb — действительный предел прочности при растяжении, Н/м ; X —угол наклона режущей кромки, град; Sj — площадь сечения срезаемого слоя, мм ; г І -расстояние от режущей кромки до оси инструмента, мм; ц — коэффициент трения; ав условный предел прочности при растяжении, Н/м ; h3 — высота профиля резьбы, мм; В І суммарная длина режущих кромок 1-го лезвия, мм; у/— угол подъема резьбы, град. Безразмерный коэффициент запаса прочности при этом определяется следующим соотношением [49J: rv sm{arctgj-y) Sb cos\py+arctgd-y)-sm(py w у где TV — касательное напряжение в условной плоскости сдвига, Н/м ; ju - коэффициент трения; у - передний угол, град; (ру — угол наклона условной плоскости сдвига, град. Полученные в работе [49] зависимости (1) и (2), несмотря на относительную простоту и наглядность, не могут быть использованы, поскольку известны не все исходные данные. Определение касательного напряжения в условной плоскости сдвига аналитически представляется весьма незаурядной задачей, поэтому для расчета значений напряжений авторами использовался метод численного моделирования конечными элементами, подробно рассмотренный в параграфе 2.2.2.
Зависимость отклонения от круглости отверстия под нарезание резьбы от технологических параметров операции
Обработка резанием ВКПМ сопровождается интенсивным изнашиванием режущего инструмента, причем характер износа отличается от изнашивания инструмента при обработке металлов. Такое различие объясняется особенностями физико-механических свойств и структуры обрабатываемых материалов. Поэтому для управления процессом резания и обеспечения требуемого качества изделия и производительности обработки необходимо исследовать закономерности износа режущего инструмента в процессе нарезания резьбы в ВКПМ.
Многочисленные экспериментальные исследования изнашивания режущих инструментов при обработке различных ВКПМ 110, 131, 126, 1041 показывают идентичный характер зависимости изнашивания от времени работы инструмента. При этом для полученных, при обработке ВКПМ, кривых «износ время» характерно наличие только двух периодов изнашивания: периода интенсивного износа (приработка) и периода равномерного изнашивания (нормальный износ).
Отсутствие периода катастрофического износа вызывает необходимость назначения технологического критерия затупления инструмента. За технологический критерий износа при обработке композиционных материалов, как правило, принимается качество обрабатываемой поверхности [ПО]. Это связанно с тем, что при значительных величинах износа режущего инструмента происходит увеличение температуры в зоне резания, и как следствие, разрушение полимерного наполнителя, образование прижогов на обрабатываемой поверхности. Особенности протекания износа режущего инструмента (отсутствие периода катастрофического износа, схожесть кривых износа для различных обрабатываемых материалов) при обработке ВКПМ позволяют с достаточной точностью описать процесс изнашивания при помощи численных методов моделирования, и в частности метода конечных элементов. ; Построение модели механической обработки и моделирование износа было произведено при помощи программного комплекса MSC Маге, обладающего широкими возможностями решения сложных нелинейных задач механики разрушения материалов.
Конечноэлементный анализ механической обработки выполнялся на основе модели в Лагранжевой формулировке, предполагающей, что заготовка закреплена, а режущий инструмент движется. Лагранжевый подход как правило требует начала анализа с недеформированной заготовкой, которая обеспечивает естественное развитие структуры стружки в начальной стадии. Исходя из этих фактов Лагранжева формулировка наиболее соответствует начальному, или кратковременному анализу. Тот факт, что заготовка закреплена в пространстве порождает искривление сетки и требует продолжающегося перестроения сетки и использования метода распадения узлов. Кроме того, типичный метод распадения узлов, используемый для определения образования новых поверхностей, требует применения искусственного критерия разрушения для определения движения инструмента и отделения стружки от заготовки.
В силу значительных трудностей возникающих при моделировании трехмерного контакта режущих зубьев метчика с обрабатываемой деталью, а также сложного движения инструмента, осуществляющегося самоподачей, процесс обработки моделировался в плоскости нормальной к оси инструмента. Такой подход вполне оправдан, поскольку износ по боковым поверхностям режущих зубьев метчика не является превалирующим и незначительно влияет на качество нарезаемой резьбы. Свойства композиционного материала задавались исходя из теории макроподхода. То есть наполнитель и связующий материал рассматривались как одно целое. При этом свойства композиционного материала моделировались посредством использования усредненных характеристик слоя. В качестве материала внутренней резьбы были использованы физико-механические свойства композиционного материала марки КППН состоящего из стеклонити ВМ и эпоксидного связующего ЭДИ [ 11 7J, а так же физико-механические свойства типичных слоистых пластиков, получаемых формованием ручной укладкой [ 12! ].
При построении модели процесса обрабатываемый материал (КППН) рассматривался как упруго-пластичное ортотропное тело, в то время как физико-механические свойства инструмента (материал Р6М5) задавались, как для упругого тела.
Для выбранных материалов в общем случае задавались: при моделировании свойств изотропного материала - модуль упругости ЕХ и коэффициент Пуассона PRXY; при моделировании ортотропного материала - модули упругости в направлении x,y,z (EX, EY, EZ), коэффициенты Пуассона в направлении x,y,z (PRXY, PRYZ, PRXZ), или младшие коэффициенты (NUXY, NUYZ, NUXZ) и модули сдвига (GXY, GYZ, GXZ).
Для учета влияния теплоты в зоне резания на интенсивность изнашивания метчика выполнялся термо-механический анализ, в котором источником теплоты являлась упруго-пластическая работа, затрачиваемая на съем припуска, и трение.
В принятой конечноэлементной модели износ режущего инструмента определялся следующей зависимостью [ 137J: w=/л— amVr"el exp /RT, мм, (54) где /л - коэффициент трения; К — коэффициент износа; H - твердость, HRC; а— нормальные напряжения, Н/м ; Vre[ - относительная скорость скольжения, м/сек; Q - энергия активации, Дж/молъ; R -универсальная газовая постоянная Дж/(моль С); Т - температура в зоне резания, С.
Процесс удаления припуска с обрабатываемой детали моделировался использованием критерия разрушения материала (критерий Оуэна) [ 1371: \( -+B)sdt C, о (55) где ат - среднее значение напряэ/сений, Н/м ; а - действующие напряжения по Мизесу, Н/м ; є— величина пластических деформаций, мм; С - пороговая величина, определяющая возможность разрушения материала; В - постоянная материала, описывающая величину гидростатического давления. Кроме того, вследствие значительных деформаций заготовки, в процессе моделирования механической обработки, сетка конечных элементов искривляется, и поэтому периодически производилось ее перестроение. Перестроение сетки производилось каждое п приращение, при больших пластических деформациях и при значительном проникновении контактирующих тел.
В расчетах были приняты следующие граничные условия. Закрепление осуществлено на периферии обрабатываемой детали по всем шести степеням свободы. Каждому зубу метчика сообщалась величина угловых перемещений равная частоте вращения шпинделя станка.
Оптимизация режимов резания операции резьбонарезания
Оценка результатов теоретических и экспериментальных исследований влияния диаметра отверстия под нарезание резьбы на несущую способность соединения показала, что разница между эмпирической и теоретической моделями не превышает 15% (рисунок 3.16). Таким образом, полученная в ходе проведения теоретических исследований модель является адекватной.
Поскольку в работах Биргера И. А., Любина Дж., Бажанова В. Л., Бра-утмана Л. и ряда других авторов, исследовавших резьбовые соединения в композиционных материалах, отсутствуют данные, характеризующие изменение несущей способности в зависимости от диаметра внутренней резьбы были проведены исследования, в ходе которых получено искомое соотношение. Экспериментальные исследования несущей способности болтового соединения в зависимости от диаметра внутренней резьбы проводились согласно ГОСТ 4651 - 82 «Пластмассы. Метод испытания на сжатие» и ГОСТ 1759.5 - 87 «Гайки. Механические свойства и методы испытаний» на разрывной машине INSTRON. Диаметр отверстия в упорной втулке выбирался по ГОСТ 11284 - 75 исходя из диаметра внутренней резьбы, а высота превышала диаметр в 1,5 раза.
Целью проведения экспериментальных исследований являлось определение несущей способности соединения в зависимости от диаметра внутренней резьбы и исследование процесса разрушения соединения.
В отличие от испытаний пробной нагрузкой согласно ГОСТ 1759.5 -87, при проведении экспериментов нагрузка продолжала расти вплоть до разрушения соединения (срез витков внутренней резьбы). Такой выбор обусловлен тем, что в соединении стальной болт - внутренняя резьба в ВКПМ несущая способность соединения будет определяться прочностью внутренней резьбы. Кроме того, при выбранной методике проведения испытаний имеется возможность сбора данных о характере разрушения витков внутренней резьбы.
После начала процесса нагружения со скоростью 5мм/мин. автоматически фиксировались нагрузка, воспринимаемая соединением, и удлинение образца, под действием этой нагрузки. Далее на основе полученных данных строились диаграммы нагружения образцов изображенные на рисунке 3.16.
Анализ диаграмм показывает, что характер разрушения образцов аналогичен разрушению хрупких материалов, а удлинение образца, до наступления пиковой нагрузки не превышает шага резьбы. Вместе с тем значительные деформации образцов до момента разрушения (спад нагрузки) косвенно свидетельствуют о более раннем начале разрушении первого витка резьбы. Для диаметра резьбы равного 6 мм. начало разрущения происходит при перемещении равном 0,91225 мм (рисунок 3.19). Однако шаг резьбы при этом равен 1 мм. А это в свою очередь означает, что при условии неразрушения первого витка резьбы максимальное перемещение (соответствующее пиковой нагрузке) должно быть меньше половины шага резьбы. Поскольку условие это не выполняется, предположительно имеет место нижеизложенная картина.
При постоянном перемещении образца происходит срез наиболее нагруженного первого витка и дальнейшее перераспределение нагрузки между остальными витками внутренней резьбы (Рисунок 3.17). Последующее разрушение витков носит цепной характер, что выражается на графике падением нагрузки.
В результате экспериментальных исследований установлена зависимость несущей способности соединения от наружного диаметра внутренней резьбы: Диаграммы нагружения образцов Анализ полученных соотношений показал, что наибольшее влияние на несущую способность соединения оказывает диаметр резьбы, при увеличении которого несущая способность в среднем увеличивается на 11% (1617Н). Увеличение диаметра отверстия под нарезание резьбы (уменьшение высоты витка) повышает несущую способность на 5% (713 Н). Таким образом, изменение диаметра отверстия под нарезание резьбы на этапе изготовления с помощью рационального варьирования технологических параметров операции позволит повысить несущую способность резьбового соединения (если принять за 100% изменение несущей способности при переходе от одного диаметра к другому по стандартному ряду ГОСТ 24705 - 2004) на 30-45%.
Визуальный анализ характера разрушения внутренней резьбы (рисунок 3.21) показал, что вырыв болта, происходит вследствие среза витков резьбы по всей площади контакта стального болта и внутренней резьбы из ВКПМ. При этом со стороны наиболее нагруженных витков (при растягивающей нагрузке), или со стороны наименее нагруженных витков (при сжимающей нагрузке) наблюдается вспучивание материала. Причиной вспучивания является образование и дальнейший рост трещины во впадине витков резьбы.
Одной из наиболее важных характеристик определяющих качество изготовления внутренней резьбы в ВКПМ и накладывающей ограничения на производительность процесса нарезания резьбы является износ инструмента. Целью экспериментального исследования износа метчика при обработке
ВКПМ являлось подтверждение теоретических зависимостей, полученных численным моделированием. Поскольку контроль линейного износа наиболее интенсивно изнашивающихся поверхностей метчика достаточно сложен при проведении исследований контролировался массовый износ инструмента, который современное измерительное оборудование позволяет определить с точностью до трех знаков после запятой.
При контроле износа применялись электронные лабораторные весы модели SCL - 150 обеспечивающие точность измерения до 0,001 г (рисунок 3.22). Теоретические зависимости, полученные для линейного износа не могут напрямую использоваться для оценки адекватностей полученных результатов. Поэтому перед проведением исследований была получена зависимость массового износа от линейного. Учитывая сложную форму отдельно взятого режущего зуба метчика, затылованого по архимедовой спирали, построение искомой зависимости было проведено с использованием программы трехмерного твердотельного моделирования KOMIJAC 3D LT VI2 (Рисунок 3.23).
