Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса технологического повышения качества и производительности обработки винтовых поверхностей дисковым инструментом 7
1.1. Применение винтовых поверхностей в изделиях машиностроения, и их функциональное назначение 7
1.2. Точность и качество винтовых поверхностей деталей машин 9
1.3.Перспективные технологические методы, позволяющие повысить качество и производительность обработки винтовых поверхностей
1.4. Задачи исследований 12
2. Методика проведения исследований ^3
2.1. Материал и размеры применяемых образцов і" 3
2.2.Оборудование, приборы и оснастка 2 5
2.2.1. Установка для вихревого нарезания резьбы
2.2.2. Установка для электромеханической обработки винтовых поверхностей
2.3. Методы и средства контроля геометрических, микрогеометрических и физико-механических параметров винтовых поверхностей
2.3.1. Измерение геометрических параметров винтовых поверхностей 39
2.3.2. Измерение шероховатости и волнистости
2.3.3. Измерение микротвердости исследуемых образцов
3. Теоретические исследования формообразования винтовых поверхностей дисковым инструментом
3.1. Мето дика профилирования дискового инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности
3.2. Анализ погрешностей, возникающих при проектировании, изготовлении дискового инструмента и обработке винтовых поверхностей
3.2.1. Погрешности, возникающие при проектировании дискового инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности
3.2.2. Погрешности винтовых поверхностей, возникающие при изготовлении инструмента в результате замены теоретического профиля ИИП
3.2.3. Погрешности винтовых поверхностей, возникающие при обработке дисковым инструментом
3.3. Мето дика решения обратной задачи проектирования дисковых инструментов
3.4.Особенности процесса вихревой обработки винтовых поверхностей
3.5. Теоретические исследования влияния точности установки инструмента на погрешность обработки ?&
4. Экспериментальные исследования процессов вихревой и электромеханической обработки винтовых поверхностей 81
4.1. Математический аппарат, используемый при проведении эксперимента по изучению процесса вихревой обработки винтовых поверхностей 21
4.2. Влияние технологических условий обработки винтовых поверхностей вихревым инструментом на качество детали и стойкость инструмента
4.2.1. Исследование влияния параметров установки инструмента и режимов обработки на шероховатость винтовой поверхности
4.2.2. Исследование влияния параметров установки инструмента и режимов обработки на макроотклонение профиля винтовой поверхности
4.2.3. Влияние параметров установки инструмента и режимов обработки на отклонение шага винтовой поверхности 9*
4.2 4. Влияние параметров установки инструмента и режимов резания на средний диаметр
4.2.5. Влияние параметров установки и режимов резания на углы профиля
4.2.6. Влияние параметров установки инструмента и режимов обработки на высоту волнистости
4.3.Математический аппарат, используемый при проведении эксперимента по изучению влияния электромеханической обработки на качество винтовых поверхностей /и^
4.4.Влияние режимов электромеханической обработки на качество и физико-механические свойства поверхностного слоя винтовых поверхностей
4.4.1. Исследование влияния режимов электромеханической
обработки на шероховатость винтовой поверхности ?07
4.4.2. Исследование влияния режимов электромеханической обработки на микротвердость и глубину упрочненного слоя
4.4.3. Исследование влияния режимов электромеханической обработки на высоту волнистости
5. Реализация результатов исследований и расчет экономического эффекта
5.1. Разработка технологичной конструкции ходового винта стрелочного перевода
5.2. Рекомендуемая технология формирования трапецеидальной резьбы ходового винта стрелочного перевода
5.3. Расчет ожидаемого экономического эффекта JZ4
Основные выводы по работе
Список литературы
- Точность и качество винтовых поверхностей деталей машин
- Методы и средства контроля геометрических, микрогеометрических и физико-механических параметров винтовых поверхностей
- Погрешности, возникающие при проектировании дискового инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности
- Влияние технологических условий обработки винтовых поверхностей вихревым инструментом на качество детали и стойкость инструмента
Введение к работе
Повышение качества и производительности обработки деталей -непременное условие выживания машиностроительных предприятий в условиях жесткой конкуренции.
Актуальность темы. Изделия с винтовыми поверхностями, как правило, являются ответственными деталями различных машин, определяющими надежность и работоспособность конструкций в целом. Надежность и работоспособность таких деталей в значительной мере определяется качеством изготовления винтовых поверхностей.
Детали с винтовыми поверхностями (косозубые и винтовые зубчатые колеса, сверла, зенкеры, метчики, развертки, цилиндрические фрезы, ходовые винты скольжения и качения, червяки) в большинстве своем обрабатываются дисковым инструментом (дисковые фрезы, накатные ролики, шлифовальные одно- и многониточные круги, вихревые головки). Как показал анализ литературы, к одной из основных причин, вызывающей погрешность обработки винтовых поверхностей относится погрешность теоретической схемы резания. При обработке различных винтовых поверхностей сама схема обработки бывает связана с определенными допущениями и приближенными решениями кинематических задач, упрощениями конструкции инструментов, вызывающими появление систематических погрешностей обработки (обычно систематических погрешностей формы). Задача состоит в оценке возможных погрешностей обработки на стадии проектирования технологического процесса.
К деталям с винтовыми поверхностями, работающими на износ (зубчатые колеса, ходовые винты, червяки), предъявляются высокие требования по износостойкости, от которой зависит точность и долговечность работы различных машин и механизмов. Придание винтовых поверхностям требуемых физико-механических свойств может производиться различными методами термической обработки (закалка,
цементация, азотирование, нитроцементация). Однако, данные способы термообработки приводят к изменению формы и расположения винтовых поверхностей и требуют введения в техпроцесс дополнительных операций для их устранения.
Повышение производительности и качества обработки винтовых поверхностей дисковым инструментом, определение возможных погрешностей обработки на стадии проектирования технологического процесса - обстоятельства, побудившие провести теоретические и экспериментальные исследования обработки винтовых поверхностей дисковым инструментом.
Цель работы. Технологическое повышение качества и производительности обработки винтовых поверхностей дисковым инструментом.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Методика графоаналитического профилирования дискового инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности.
Методика решения обратной задачи проектирования дискового инструмента и расчета погрешности обработки от изменения его профиля и точности установки.
Разработка технологии, обеспечивающей повышение качества и производительности обработки винтовых поверхностей дисковым инструментом.
Научная новизна.
Впервые разработан графоаналитический метод профилирования дискового инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности, решена обратная задача проектирования дискового инструмента и расчета погрешности обработки от изменения его профиля и точности установки.
Получены математические уравнения, описывающие взаимосвязь параметров качества винтовых поверхностей с условиями их электромеханической обработки с учетом явления технологической наследственности.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработана технология, позволяющая повысить качество и производительность обработки винтовых поверхностей дисковым инструментом.
Разработаны и изготовлены приспособление и инструмент для вихревой обработки винтовых поверхностей на токарно-винторезном станке мод. 16К20.
Разработан и изготовлен инструмент для электромеханической обработки винтовых поверхностей.
Определены оптимальные режимы вихревой и электромеханической обработки винтовых поверхностей, позволяющие значительно повысить их качество и производительность.
Точность и качество винтовых поверхностей деталей машин
Точность изготовления винтовых поверхностей деталей и качество поверхностного слоя оказывают большое влияние на их функциональное назначение.
Так, точность изготовления профиля косозубого колеса оказывает основное влияние на качество работы зубчатой передачи. При неточном изготовлении винтовых поверхностей (зубьев) в процессе работы передачи возникают погрешности зацепления, связанные с изменением окружной скорости колеса. Эти изменения окружной скорости происходят очень быстро и вызываются тем, что неточные зубья в процессе зацепления ускоряют или замедляют вращение. Во всех передачах имеет место определенный зазор между зубьями колес. Погрешности профиля зубьев вызывают прерывистый металлический стук, который можно объяснить тем, что ведомое колесо очень резко ускоряется, в результате чего происходит удар по нерабочим участкам профиля зубьев. Такие погрешности профиля оказывают неблагоприятное влияние на прочность зубьев изгибу и их износ [1, 9, 14, 32, 67, 91, 97]. Поэтому точный профиль зубьев имеет особенно большое значение с точки зрения прочности зубьев. Также погрешность профиля влияет на отклонение основного шага зубьев.
К винтовым поверхностям, применяемым в инструменте для обработки гладких отверстий, как правило, не предъявляются высокие требования по точности, чего нельзя сказать о метчиках, метчик протяжках и червячных фрезах. Даже небольшое отклонение угла наклона или отклонение от прямолинейности режущей кромки влечет за собой искажение профиля резьбы или зубчатого колеса, что сказывается на качестве изготовления изделия [12, 14, 32, 73, 81, 94, 103].
Как отмечалось выше, в качестве винтовых поверхностей можно рассматривать резьбы, характерным представителем которых являются ходовые винты станков. Ходовой винт является одним из звеньев многозвенной размерной цепи, которая обеспечивает точность перемещения суппортов, а следовательно, и точность изготавливаемой на станке детали. Как видно из рис. 1.2, в этой размерной цепи ходовой винт вследствие вращения участвует постоянно меняющимся размером Аз - расстоянием от точки соприкосновения с ним гайки до поверхности опорного буртика его опорной шейки.
Равномерность изменения этого расстояния, оказывающая решающее влияние на точность изготовляемой детали, зависит от ряда факторов, определяющих показатели качества ходовых винтов, в том числе и от равномерности вращения ходового винта, и неизменности его относительного положения на станке во время работы. Такими показателями являются диаметральные размеры винта, точность шага резьбы, точность профиля резьбы, соосность резьбы винта с его опорными шейками. [56, 62, 74, 79, 101].
Ходовые винты обладают недостаточной жесткостью, так как обычно их длина во много раз превосходит диаметр, поэтому при их обработке под влиянием сил резания, а также под воздействием собственного веса возникают деформации. Все это создает определенные трудности при их изготовлении, предопределяет выбор материала и технологический процесс.
В настоящее время в станкостроении, особенно с станках с ЧПУ, стали применять винтовые пары качения, состоящие из ходового винта и гайки, сопряжение между которыми создается с помощью шариков. Технические требования к ходовым винтам пар качения в основном те же, что и к ходовым винтам скольжения. Например, наибольшая накопленная погрешность шага резьбы винта не должна превышать 6 мкм для винтов 1-го класса точности на длине 100 мм [74]. Погрешности, возникающие при обработке винтовых поверхностей деталей, могут быть вызваны различными причинами. К основным из них можно отнести: 1) неточность, износ и деформации станков; 2) износ и деформации инструмента; 3) упругие деформации технологической системы, связанные с воздействием сил резания; 4) упругие деформации технологической системы, вызванные нагревом; 5) погрешности теоретической схемы обработки.
По данным работ Л.Н. Горчакова, A.M. Дальского, К.С. Колева, П.А. Кораблева, А.Д. Макарова, А.А.Маталина одними из самых существенных причин, оказывающих влияние на погрешности обработки являются погрешности, связанные с неточностью, износом и деформациями оборудования и погрешности, связанные с теоретической схемой резания [22,36,37,46,51].
Методы и средства контроля геометрических, микрогеометрических и физико-механических параметров винтовых поверхностей
Для проведения исследований и практического использования была спроектирована и изготовлена специальная установка для вихревого нарезания резьбы. Она устанавливается на место резцедержателя токарно-винторезного станка модели 16К20. Установка состоит из следующих составных частей (рис. 2.3.): - нижняя плита 1; - стойка 2; - передвижная плита 3; - шпиндельный узел 4; - вихревая головка 5; - электродвигатель 6. Нижняя плита крепится к поперечным салазкам суппорта болтами. Параллельность стойки продольным направляющим станка контролируется индикатором.
Первоначально шпиндельный узел устанавливается параллельно оси детали. Для контроля параллельности используется стойка с индикатором. Вследствие того, что при повороте шпиндельного узла на угол подъема резьбы центр вихревой головки переместится вниз (при нарезании правой резьбы), передвижную плиту со шпиндельным узлом и электродвигателем необходимо переместить вверх на величину .
Перемещение шпиндельного узла производится при помощи специальных винтов, установленных на стойке приспособления.
Далее шпиндельный узел поворачивается на угол подъема резьбы. Контроль точности установки также осуществляется индикатором следующим образом: на определенной длине (при исследованиях была принята длина равная 30 мм) определяется перепад высоты, соответствующий требуемому углу установки инструмента (рис. 2.6) по формуле: h = lgco0 (2.2) где: 1 - длина, на которой производится измерение перепада высоты h - перепад высоты; со0- угол установки инструмента. зо о h Рис. 2.6. Определение перепада высоты, соответствующего углу установки инструмента Погрешность установки шпиндельного узла по высоте составляет не более 0,01 мм, а по углу (для принятого типа резьбы) не более Г. На шпиндельном узле приспособления установлен асинхронный электродвигатель. Частота вращения вала электродвигателя п=1480 мин ], мощность W=0,75 кВт. Вихревой головке вращение сообщается посредством ременной передачи. Изменение частоты вращения осуществляется переводом ремня на другой ручей шкива. Таким образом, частоты вращения вихревой головки составляют: nj=680 мин"1, П2=550 мин" .
Общий вид вихревой головки представлен на рис. 2.7. Она состоит из корпуса 1 (рис. 2.8), в пазах которого устанавливаются резцы 2. Резцы крепятся в корпусе при помощи клиньев 3, которые притягиваются винтами 4. Вихревая головка устанавливается в шпиндельный узел на оправку и затягивается гайкой М20х1,5. Вылет резцов вихревой головки определяется глубиной резания и принимается на 3...4 мм больше.
Заточка резцов вихревой головки производилась на универсально-заточном станке мод. ЗВ642. Шпиндельный узел с вихревой головкой устанавливался на универсальные трехповоротные тиски вместо собственно тисков. Шпиндельный узел с головкой устанавливается на угол Ф, равный половине угла профиля резьбы ф=45 и на задний угол осн=5 (рис. 2.10). Затем проводилась заточка одной стороны резцов, причем резцы затачивались по очереди, то есть головке сообщалось движение поперечной подачи 8... 10 мкм и возвратно-поступательное движение продольной подачи. Далее головка поворачивалась на 1 зуб и затачивался следующий резец и так все 4 резца. Затем головка опять перемещалась в поперечном направлении на величину подачи и снова затачивались все резцы. Далее головка переустанавливалась и производилась заточка другой стороны резцов. Последними затачивались участки резцов, формирующие впадину резьбы.
Такой метод заточки позволяет свести к минимуму погрешности установки резцов и обеспечивает одинаковую нагрузку на каждый резец и их одинаковый износ.
При проведении экспериментов образцы устанавливались на оправке и закреплялись гайкой. Оправка устанавливалась консольно в трехкулачковый патрон, обтачивалась по наружной цилиндрической поверхности с целью исключения влияния биений на точность обработки.
Погрешности, возникающие при проектировании дискового инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности
При проектировании дискового инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности, часто используют эмпирические зависимости, данные из таблиц и экспериментальные данные из различных источников. Эти упрощения приводят к несоответствию теоретических и практических характеристик инструмента. Так, при назначении наружного диаметра инструмента пользуются формулами, зависящими от глубины резания и ширины винтовой поверхности. Затем наружный диаметр инструмента округляется до ближайшего из стандартного ряда и назначается межосевое расстояние между деталью и инструментом. Но при проектировании значение теоретического наружного диаметра, как правило, отлично от стандартного.
На практике явление «недореза» или «подреза» устраняется корректировкой межосевого расстояния после изготовления пробной детали. Однако это не исключает погрешности профиля, так как при изменении межосевого расстояния теоретическая линия контакта изменится.
Проектирование инструмента, обрабатывающего винтовые поверхности, по предлагаемой методике связано с решением задачи поиска касательной окружности к следу винтовой поверхности (см. п.3.1). Однако найденная касательная окружность может пересекать след винтовой поверхности до или после точки касания (рис.3.7)
В этом случае при обработке будет возникать явление «подреза», так как при обработке «своего» участка поверхности данной частью инструмента будет срезан уже обработанный другой частью инструмента участок детали (рис. 3.8). Для исключения этого нежелательного явления необходимо производить проверку на отсутствие «подрезов».
При профилировании инструмента с условием отсутствия «подреза», а также в случае отсутствия касательной окружности к следу винтовой поверхности и в случае нескольких касательных, за радиус окружности инструментальной поверхности принимается наименьший их возможных (рис.3.10). В этом случае может возникать явление «недореза» профиля детали (рис.3.9).
Возможность возникновения «подрезов» и «недорезов» профиля винтовых поверхностей зависит от ряда факторов, таких как профиль и шаг, расположение инструмента относительно оси детали, угол установки инструмента. Эти задачи решаются в комплексе проектирования инструмента и проверки соответствия теоретического профиля поверхности расчетному.
Точка S (рис. 3.12) представляет собой точку пересечения оси детали и оси инструмента. При отношении величин 1і/12 1 точка S смещается вдоль оси инструмента влево, в противном случае - вправо. Таким образом, центр инструмента может находиться либо выше, либо ниже оси детали. При проектировании инструмента, из различных соображений, отношение \\l\i может быть различно. При установке его на станке необходимо выдерживать соотношение, принятое при проектировании инструмента. При несоблюдении этого условия возникают погрешности профиля винтовой поверхности, величину и характер которых трудно установить до обработки детали.
Важным условием правильной обработки винтовых поверхностей является точная установка инструмента по углу. Угол установки инструмента относительно оси детали должен совпадать с углом установки инструмента, принятом при его проектировании (см. п.3.1). При неточной установке инструмента по углу кроме искажения профиля винтовой канавки, может возникать повышенное трение инструмента об обрабатываемую деталь, разбивка или сужение профиля детали.
Выше рассматривались погрешности, возникающие в результате проектирования инструмента, замены профиля и установке его на станке. Однако рассмотрение этих погрешностей велось каждого в отдельности без учета их взаимодействия. Взаимное влияние перечисленных факторов, вызывающих различные погрешности, тяжело поддается аналитическому анализу. Влияние одних факторов может исключать или уменьшать влияние других либо наоборот увеличивать погрешность. На практике погрешность профиля винтовых канавок определяется опытным путем при изготовлении пробных деталей, что при малых партиях выпуска экономически невыгодно.
Как видно из представленного анализа, необходимо иметь методику определения погрешностей профиля винтовых канавок при реальных размерах инструмента и параметрах его установки на станке.
Решение обратной задачи заключается в определении профиля детали при известных размерах инструмента и кинематике его движения. Решение обратной задачи более достоверно, чем прямой, так как при известных инструменте и его движении существует только одна деталь, которая может быть определена [42, 71,81].
Автором предлагается графоаналитический метод решения обратной задачи проектирования дискового инструмента. Сущность метода заключается в нахождении следа прохождения инструмента через осевую или торцовую плоскость детали. Инструмент в этом случае рассматривается как набор дисков нулевой толщины определенного радиуса и отстоящих друг от друга на определенном расстоянии.
Влияние технологических условий обработки винтовых поверхностей вихревым инструментом на качество детали и стойкость инструмента
Для получения математической зависимости параметра шероховатости Ra от входных факторов эксперимента был проведен множественный регрессионный анализ [44, 52, 63, 80].
Очевидно, что на шероховатость винтовой поверхности наибольшее влияние будет оказывать шероховатость режущей кромки зубьев, которая, в свой очередь, будет зависеть от величины износа зубьев. При вихревой обработке преобладающим износом является износ по задней поверхности зубьев и определяется шириной ленточки на задней поверхности. На графике (рис. 4.1) хорошо видно влияние процесса приработки резцов головки на величину шероховатости Ra. Величина шероховатости задней поверхности зубьев до начала их работы составляла Ra=0,16 мкм, после проведения эксперимента Ra=0,6 мкм. Следует предположить, что в процессе обработки на величину шероховатости Ra наибольшее влияние оказывают такие факторы, как радиус скруглення режущей кромки и непосредственно шероховатость ленточки на задней поверхности, чем кинематика процесса резания. Из графика (рис. 4.1) видно, что нормальный износ зубьев вихревой головки наступает после 4-х м резания (каждым зубом), что в данном эксперименте соответствует 840 мм длины детали.
Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при принятых в эксперименте параметрах установки инструмента отклонение от прямолинейности составляет не более 0,5 мкм и в данной работе не учитывалось. Кривизна профиля будет проявляться при углах наклона винтовой поверхности более 8...10.
Так как отклонение шага оказывает влияние на средний диаметр резьбы, то было принято решение включить его в исследуемые параметры. Однако, исследования показали, что шаг винтовой поверхности не зависит от параметров установки инструмента и режимов обработки. Значения шага колебались в пределах ±0,001 мм, что можно объяснить прерывистым характером обработки. Очевидно, что на шаг обрабатываемой поверхности будет оказывать влияние состояние технологического оборудования, класс его точности и тепловые деформации детали [36, 37, 41, 51, 79, 101]. Исходя из вышесказанного в данной работе влияние отклонения шага на точность винтовой поверхности не учитывалось.
Средний диаметр резьбы, исследование точности и качества обработки которой проводились в настоящей работе, является одним из основных параметров, характеризующих точность резьбы. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.1. По формулам 4.1-4.9 проведен математический анализ полученных данных, результаты которого представлены в табл. 4.4. Из таблицы видно, что первые три входных фактора (подача на зуб Sz, скорость резания V и смещение инструмента относительно оси детали ls) оказались незначимы. Так как факторы не оказывают на выходной параметр влияния, исключаем их из расчетов и производим повторный анализ данных. После проверки коэффициентов на значимость проверяем полученное уравнение на адекватность по критерию Фишера [44, 52, 63, 80]. Результаты расчета сводим в табл. 4.5. Уравнение адекватно.
По экспериментальным данным отклонение среднего диаметра обрабатываемой резьбы составило +0,0325 мм при минимальном и максимальном значении угла о (рис. 4.3). Теоретические исследования для данных параметров установки инструмента показали, что средний диаметр изменяется в пределах ±0,019 мм, то есть в 1,7 раза меньше. Это можно объяснить влиянием вибраций, биением зубьев инструмента и шпинделя установки.
Отсутствие влияния на средний диаметр смещения инструмента ls относительно оси детали можно объяснить тем, что при смещении инструмента одна половина угла профиля уменьшается, а другая увеличивается и, тем самым, снижает влияние этого фактора на средний диаметр.
Математический анализ результатов показал, что на отклонение углов профиля не оказывают влияние подача на зуб Sz, скорость резания V и угол установки инструмента щ. Результаты статистической обработки факторов на значимость и проверка полученной зависимости на адекватность приведены в табл. 4.6, 4.7.
Проверка на адекватность по критерию Фишера показала, что полученные математические зависимости адекватны. Согласно экспериментальным данным значения углов сц]2 и OLR/2 колеблятся в пределах ±0,075=04 30". Теоретические исследования показали, что при данных параметрах установки колебания углов составляют ±0,01=00 36" (рис. 4.4, 4.5). Это можно объяснить погрешностью заточки и биением инструмента.
Так как обработка вихревым методом происходит прерывисто, то винтовая поверхность будет иметь волнистость. Волнистость характеризуется высотой Wz и шагом Smw. Шаг волнистости будет равен подаче на зуб Sz (см. гл. 3). Теоретическая высота волнистости определяется исходя из подачи на зуб Sz, диаметра инструмента da0? диаметра детали, на котором определяется высота волны db угла наклона винтовой поверхности со и других (см. гл. 3). Результаты экспериментальных исследований представлены в табл. 4.1. Статистическая обработка данных показала, что на высоту волнистости влияние оказывает только подача на зуб Sz табл. 4.8. После определения коэффициентов уравнения и проверки его на адекватность (табл. 4.9) было получено уравнение высоты волнистости Wz:
Похожие диссертации на Технологическое повышение качества и производительности обработки винтовых поверхностей дисковым инструментом
