Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 14
1.1. Основные этапы и пути совершенствования протяжного инструмента 14
1.2. Оценка надежности и эффективности протяжного инструмента .28
1.3. Формирование модели причинно-следственных связей факторов, влияющих на эффективность шлицевых протяжек 37
1.4. Анализ проблем, связанных с повышением эффективности протяжного инструмента 47
1.5. Выводы по главе .52
1.6. Цель и задачи исследования .53
ГЛАВА 2. Повышение надежности протяжного инструмента на основе исследования влияния конструктивных элементов стружечной канавки на процессы стружкообразования и удаления стружки 56
2.1. Влияние конструктивных элементов стружечной канавки на характеристики надежности протяжки (краткий обзор) 56
2.2. Исследование влияния канавки на формирование стружечного валика при протягивании . 59
2.3. Исследование влияния конструктивных элементов канавки на размер шага и толщину зуба 68
2.4. Формирование модели причинно-следственных связей факторов, влияющих на шаг и осевые размеры протяжки 81
2.5. Выводы по главе 89
ГЛАВА 3. Разработка способа обработки входной части выступов переднего направления много проходных протяжек и прошивок ...
3.1. Типы конструктивного исполнения входной части направляющих шлицевых выступов протяжек и способы их обработки 91
3.2. Разработка способа формирования боковых поверхностей входной части направляющих шлицевых выступов 93
3.3. Разработка номограмм для определения наладочных параметров шлицешлифовального станка. 99
3.4. Выводы по главе... 102
ГЛАВА 4. Повышение эффективности формирования боковых режущих кромок шлицевых зубьев ... 104
4.1. Анализ особенностей конструктивного исполнения боковых поверхностей и режущих кромок зубьев шлицевых протяжек .104
4.2. Определение минимальной длины боковых режущих кромок шлицевых зубьев протяжки 107
4.3. Признаки наличия сплошных участков боковых поверхностей зубьев шлицевых протяжек 111
4.4. Выявление зависимостей между объемом припуска на шлифование боковых поверхностей зубьев и параметрами конструктивных элементов протяжки
4.4.1. Определение объема припуска на шлифование боковых поверхностей шлицевых зубьев однопроходных протяжек и протяжек первых проходов из комплектов многопроходных 117
4.4.2. Определение объема припуска на шлифование боковых поверхностей шлицевых зубьев многопроходных протяжек .127
4.4.3. Определение объема припуска на шлифование боковых поверхностей шлицевых зубьев корригированных протяжек. 151
4.5. Анализ основных направлений совершенствования процесса шлифования : .163
4.5.1. Особенности процесса формирования шлицевых выступов зубьев протяжек шлифованием 166
4.6. Разработка модели процесса шлицешлифования и определение основных параметров, характеризующих процесс І .168
4.6.1. Определение выходных параметров процесса шлицешлифо-вания и исследование условий работы шлифовального круга при обработке боковых поверхностей шлицевых выступов зубьев протяжки... 177
4.6.2. Определение количества режущих зерен, расположнных по периметру производящей поверхности любой зоны шлифовального круга 188
4.6.3. Определение производительности шлифования с единицы поверхности контакта между абразивным кругом и боковыми поверхностями зубьев протяжки 190
4.6.4. Выводы по разделу 194
4.7. Разработка способа формирования припуска наименьшего объема на шлифование боковых поверхностей шлицевых выступов зубьев протяжек 202
4.7.1. Расчет объема наименьшего припуска на шлифование боковых поверхностей шлицевых выступов зубьев протяжки 212
4.7.2. Конструкторско-технологические параметры операции фрезерования шлиц прямобочных протяжек с поднятием
заднего хвостовика 218
4.7.3. Выводы по разделу 227
ГЛАВА 5. Исследование влияния термодиффузионно го упрочнения протяжек сульфокарбонитридами на их надежность 229
5.1. Формирование фазового состава поверхностных слоев упрочняемого инструмента при сульфокарбонитрировании 231
5.2. Определение и сравнительная оценка стойкостных характеристик упрочненных, упрочненных и переточенных протяжек и протяжек базового исполнения 233
5.3. Установление теоретического закона распределения стойкости протяжек. Оценка согласия между эмпирическим распределением и теоретическим нормальным 244
5.4. Установление связи между наработкой и износом зубьев. выявление формы связи и выбор аппроксимирующей функции. Аппроксимация эмпирических значений наработок и ее оценка. Определение удельного линейного износа зубьев 248
5.5. Разработка вероятностной модели оценки надежности протяжек, упрочненных сульфокарбонитридами на основе распределения стойкости по реализациям износа. Определение параметров распределения 264
5.6. Выводы по главе... 269
Общие выводы .272
Литература
- Формирование модели причинно-следственных связей факторов, влияющих на эффективность шлицевых протяжек
- Исследование влияния канавки на формирование стружечного валика при протягивании
- Разработка способа формирования боковых поверхностей входной части направляющих шлицевых выступов
- Выявление зависимостей между объемом припуска на шлифование боковых поверхностей зубьев и параметрами конструктивных элементов протяжки
Введение к работе
Актуальность. Преимущество протягивания перед другими видами-
обработки резанием в производительности, точности и качестве обработанных поверхностей, простоте осуществления операции и обслуживании станка, высокой надежности процесса. Точность размеров обработанных поверхностей достигает 7+6 квалитега, шероховатость Ra=2,5 + 0,32 мкм, а при применении твердосплавных выглаживателей точность увеличивается в 1,3 + 1,5 раза, а шероховатость уменьшается до Ra-0,16 * 0,08 мкм. Процессы протягивания легко автоматизируются и вписываются в автоматические линии, что очень важно при массовом и крупносерийном производстве, а в ряде случаев, как например, при обработке шлицевых отверстий, протягивание является наиболее целесообразным способом обработки.
Отличаясь сложностью конструктивных элементов, металлоемкостью и высокой трудоемкостью изготовления, протяжной инструмент, изнашиваясь в процессе эксплуатации, переносит свою стоимость на обрабатываемые детали и становится частью производственно-технологической системы, определяющей эффективность операции протягивания. В силу того, что операция протягивания не требует больших затрат, и основная доля расходов приходится на инструмент, проблема повышения ее эффективности сводится к проблеме технико-экономической эффективности самой протяжки, что в свою очередь зависит от соответствия выбранных методов проектирования и способов пооперационной реализации технологического процесса изготовления протяжки функции цели, и поэтому разработка и исследование более совершенных и альтернативных методов проектирования и способов изготовления является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка и совершенствование способов конструкторско-технологического обеспечения исполнительных параметров шлицевых протяжек, повышающих их надежность и эффективность.
Для достижения поставленной цели
- выявлены и описаны причинно-следственные связи между факторами,
влияющими на надежность и эффективность шлицевых протяжек;
- разработана модель причинно-следственных связей факторов,
определяющих параметры конструктивных элементов шлицевых протяжек;
- определены и исследованы функциональные связи между
конструктивными параметрами протяжки по условию беспрепятственного
стружкообразования и свободного удаления стружки из канавки;
найден способ математического описания изменения объемов припуска на шлифование боковых поверхностей шлицевых выступов от зуба к зубу по всему шлицевому ряду режущих зубьев протяжки;
разработана геометрическая модель процесса шлифования боковых поверхностей шлицевых зубьев;
разработан способ формирования припуска наименьшего объема на боковых поверхностях зубьев и выявлены конструкторско-технологические параметры его реализации;
исследована структура и определена микротвердость диффузионного слоя зубьев протяжек, упрочненных сульфокарбонитридами;
- разработан способ моделированных стойкостных испытаний,
определена форма связи между наработкой и износом зубьев, произведен выбор
аппроксимирующей функции и выявлены параметры дисперсионного
распределения стойкости упрочненных протяжек.
Общая методика исследований. Работа выполнена с позиций общего подхода к проектированию режущих инструментов. Процедура поиска приемлемых технических решений осуществлялась на основе теории проектирования металлорежущих инструментов с привлечением графовых моделей и их инвариантов для анализа и синтеза связей между факторами, составляющими предмет исследования. При разработке геометрической модели стружечной канавки и определении соотношений между параметрами ее конструктивных элементов использовался принцип гомотетии, а для установления расчетных зависимостей между параметрами протяжки и объемом припуска на шлифование боковых поверхностей зубьев были использованы свойства одинаковых степеней натуральных чисел рядов, образующих арифметические прогрессии. Полученные аналитические зависимости между конструктивными параметрами протяжки и технологическими параметрами операции шлифования входной части шлицевых ребер преобразованы на основе теории номографии в сетчатые номограммы, как в более удобный вид для практического применения. Наработка протяжек на износ для определения стойкостных характеристик осуществлялась многократным протягиванием прямоугольных брусков,
представляющих собой модель заготовки (способ защищен А.С. Л% 1423308), а обработка результатов~~ испытаний - производилась на основе метода наименьших квадратов и с использованием теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в:
выявленных закономерностях взаимного расположения конструктивных элементов стружечной канавки протяжки по условиям беспрепятственного формирования стружки и ее свободного удаления из канавки;
модели причинно-следственных связей факторов, содержащей угол р как параметр, устанавливающий функциональную связь между конструктивными элементами стружечной канавки;
форме поперечного сечения припуска и схемах его расположения на боковых поверхностях зубьев и аналитических зависимостях, обеспечивающих его наименьший объем (А.С. № 1202760);
математической модели процесса шлицешлифования и зависимостях, устанавливающих связи между параметрами процесса;
вероятностной модели надежности протяжек, упрочненных сульфокарбонитридами, полученной на основе дисперсионного распределения стойкости по реализациям износа.
Практическая ценность работы состоит в рекомендациях по
- выявлению параметров конструктивных элементов стружечных
канавок, обеспечивающих повышение ресурса стойкости протяжек, уменьшение
затрат на их изготовление и повышение производительности процесса
протягивания;
- определению наладочных параметров обработки скошенной части
шлицевых выступов переднего направления многопроходных протяжек и
прошивок на шлицешлифовальных станках и технологических параметров
операции фрезерования шлицевых впадин зубьев на фрезерных станках;
повышению технологичности протяжек при шлицешлифовании, уменьшению трудоемкости обработки, повышению размерной стойкости шлифовальных кругов и уменьшению расходов абразивного и правящего алмазного инструмента;
установлению периодов регламентированной смены протяжек, упрочненных сульфокарбонитридами и величин их нормативного расхода.
Реализация работы. Результаты работы внедрены на Чаренцаванском инструментально-производственном объединении (ЧарИПО), предприятии "Титан" (Республика Армения) и на Минском головном заводе шестерен (Республика Беларусь). Часть разработок передана на Московский инструментальный завод для реализации в своем производстве. Результаты работы были использованы в организованной в ЧарИПО ВНИИинструментом (г.Москва) отраслевой базовой лаборатории по государственным испытаниям протяжек в рамках б. общесоюзной системы управления качеством инструментальной продукции.
Апробация работы. Основные положения работы рассматривались и обсуждались на научно-практических семинарах Армянского республиканского Дома Техники, заседаниях кафедры "Металлорежущие станки и инструменты" (МСиИ) Армянского государственного инженерного Университета (АГИУ), кафедры "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" Московского государственного технологического Университета "СТАНКИН", а также на совместном заседании технического Совета ЧарИПО и кафедры МСиИ АГИУ, по которому имеется положительное Заключение.
Публикации. По материалам выполненных исследований и разработок опубликовано одиннадцать печатных работ, в том числе три изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на212 страницах машинописного текста, содержитГ^рисунок, Х4( таблиц и список литературы изЩІ наименований.
Формирование модели причинно-следственных связей факторов, влияющих на эффективность шлицевых протяжек
Отличаясь сложностью конструктивных элементов, металлоемкостью и высокой трудоемкостью изготовления, протяжной инструмент, изнашиваясь в процессе эксплуатации, переносит свою стоимость на обрабатываемые детали и становится частью производственно-технологической системы, определяющей эффективность операции протягивания. В силу того, что сама операция протягивания не требует больших затрат на осуществление, и основная доля расходов приходится на инструмент, то проблема повышения ее эффективности сводится к проблеме технико-экономической эффективности протяжки, т.е. к повышению ее эксплуатационной надежности и уменьшению стоимости.
В зависимости от способов возникновения обработанной поверхности по времени [35, 66], процесс протягивания относится к самым производительным процессам, т.к. при протягивании обрабатываемая поверхность возникает одновременно в двух направлениях: в одном направлении дискретно при осуществлении подачи, а в другом - непрерывно в направлении главного движения. Главное движение резания при протягивании совпадает с вектором скорости главного движения, а движение подачи, совпадая с главным движением резания, имеет скорость, вектор и величина которой совпадают со скоростью главного движения. При такой кинематической схеме резания путь резания приравнивается к длине обрабатываемой поверхности, что в десятки раз короче, чем при других видах обработки, а подача определяется конструкцией протяжки, что позволяет получить большую суммарную длину одновременного контакта режущих лезвий зубьев с обрабатываемой заготовкой, чем и обеспечивается высокая производительность обработки. Используя преимущества кинематики резания при протягивании и опираясь на фундаментальные работы отечественных и зарубежных ученых в области теории резания [16, 21, 34, 35, 63, 88, 97] и др. создано большое разнообразие протяжного инструмента с оптимальными конструктивными элементами для обработки самых различных по сложности поверхностей, в том числе и шлицевых отверстий [8, 17, 19,21,26,30,31,46,53,77,89,91, 117, 119, 121] и др.
В отдельных работах, посвященных проектированию протяжек, предлагаются типовые технологические процессы их изготовления и технологические процессы с детальной проработкой различных операций механической и термической обработки и контроля, а также в соответствие с предлагаемыми конструкциями даются указания на особенности их изготовления [6, 47, 58, 75, 78]. Вопросом технологии изготовления протяжного инструмента отводится достаточное место и в работах общетехнологического значения, посвященных производству различных инструментов [10 11 87]. В работах [6 47 56 58 60 70] рассматриваются вопросы рациональной эксплуатации протяжек и устранения неполадок связанных с осуществлением процесса протягивания. Сведения о протяжных станках о станках в автоматических линиях и об их автоматизации а также об используемых приспособлениях и птзиемах паботы на пт)отяжных станках содержатся в работах [58 60 66 106]
На начальном этапе совершенствования процессов протягивания наиболее значительным достижением при формировании технического уровня протяжного инструмента явилось создание на предприятиях автотракторной промышленности СТЗ, ЧТЗ, ЗИЛ, ГАЗ, ХТЗ и др. протяжек с групповым построением зубьев, что позволило при протягивании производить последовательное разделение каждого слоя срезаемого металла заготовки по всему контуру обрабатываемой поверхности без применения специальных стружкоразделительных устройств и тем самым осуществить переход на более эффективный способ резания в режиме увеличенных подач [18, 21, 47, 91, 121]. Результатом этих разработок явилось повышение производительности процесса протягивания из-за уменьшения основного времени на обработку и увеличение стойкости протяжек.
Дальнейшее повышение эффективности протяжек связано в разработкой переменной схемы резания, при которой, в отличие от обычной групповой схемы, создаются более благоприятные условия резания и решается ряд проблем, связанных с технологией их изготовления. Улучшилось качество протягиваемых поверхностей, возросла стойкость протяжек, облегчился процесс изготовления и еще более сократилась длина [75, 77].
Длина протяжки определяется шагом зубьев, на величину которой влияет материал протягиваемой детали и ее длина, объем срезаемой стружки, условия ее размещения в канавке и др. факторы. В ряде случаев, из-за уменьшения шага удается не только сократить количество протяжек в комплекте для последовательного протягивания одного и того же отверстия, но и ограничиться только одной протяжкой, что приводит к резкому сокращению расходов на изготовление и, следовательно, к повышению эффективности операции протягивания.
В основе большинства работ по расчету и выбору шага протяжки, форм и размеров стружечных канавок и зависимостей между параметрами ее конструктивных элементов лежат результаты наблюдений за процессом протягивания в различных условиях производства, а также экспериментальные исследования, в том числе и с моделированием процесса протягивания [19, 30, 47, 117, 124], в которых, исходя из физической сущности процесса резания, рассматриваются вопросы стружкообразования, влияния процесса на размещение стружки во впадине между зубьями и на свободное удаление ее из канавки. В одних работах [36, 54, 120] шаг протяжки рассчитывается в зависимости от материала протягиваемой детали, длины протягивания и подачи, и является исходным для расчета параметров конструктивных элементов стружечной канавки; в других [30, 47, 94]
Исследование влияния канавки на формирование стружечного валика при протягивании
Основываясь на результатах работы [39] и применяя метод имитационного моделирования в соответствие с теорией графов, выявим причинно-следственные связи между факторами, влияющими на эффективность шлицевых протяжек.
Обобщенная модель формирования факторов представлена гиперграфом Гп=Г1Х1+Г1Х2 объединения множеств, определяющих ожидаемую (проектную) надежность Г1Х1 протяжки, ее стоимость Г1Х2 и условия эксплуатации (рис. 1.3).
Гиперграф Гт = {Гаси, Г1Х12, 1ХЗ) является подграфом Ги модели и объединяет множества, характеризующие ожидаемую (проектную) надежность (Н) протяжки и условия ее эксплуатации (УЭ), а гиперграф Гіх2(С) = {Х2і(ТСБ),Х22(НПР)} - стоимость, определяемую технологической себестоимостью изготовления протяжки (ТСБ), накладными и прочими расходами (НПР).
Ребро 1Х1={ХП(ТС),Х12(ТУ)} раскрывает факторы, определяющие техническое состояние (ТС) конструктивных элементов протяжки и ее технический уровень (ТУ).
В зависимости от технического состояния конструктивных элементов протяжки формируются характристики ее надежности 1х,1(тсг{Хш(РБ), ХШ(БЗТ), ХШ(ДВ), ХИ4(РП), гге: РБ -работоспособность; БЗТ - безотказность; ДВ - долговечность и РП -ремонтопригодность, а также основные параметры, которые являются критериями надежности 1Х11ЦРБ {х ш(ПРП),Х1ш(Т),Хгш(КПП)}, где: ПРП - производительность процесса протягивания и КПП качесТВо ПРоТЯНУТЫХ пОВерХНОСТей шЛИЦЄВОГО оТВерсТИя; 1ХЦ2(БЗТ) {X m(CC), XjJ2(BCC), Хи2(ГПС), Х?12(ИО)}, где: СС - средняя стойкость протяжки; ВСС - вариация средней стойкости; ГПС - гамма-процентный период стойкости и ИО - интенсивность отказов Ці); 1Х113(ДВ)={ХПЗ(ППС),Х1]3(КП)}, где: ППС - полный период стойкости чр С +\р Гиперграф Г;і формирования модели причинно-следственных факторов, влияющих на эффективность шлицевых протяжек или ресурс работоспособности ГГ, КП - количество переточек; Іхім(РП)={Хш(ТЗ)}, где ТЗ - толщина зуба по задней поверхности. Ребро 1Х12(ТУ) = {ХШ(К), ХШ(МРЧ), Х123(СХР)} определяет технический уровень протяжки и является областью формирования показателей ТУ, где К - конструкция протяжки; МРЧ - материал режущей части; СХР - схема резания.
Ребро lXW(K)= {Х Ш(Ц), xf21(CH), х]21(СБ), Х?21(НРГ), xf21(PD, XSm(EKB), Х 21(КБ), xf21(HKP), Xj21(KP), Х 21(0КП), Х /21(ЭРГ), Хі221(ПЧР), Хі321(ПЧС)} объединяет множество факторов, которые являются показателями технического уровня протяжки, где: Ц, СН, СБ - цельная, составная, сборная; НРГ, РГ - нерегулируемая, регулируемая; НКБ, КБ - некомбинированная, комбинированная; НКР, КР - некорригированная, корригированная; ОКП - с оптимальными конструктивными параметрами; ЭРГ - с эргономическими свойствами; ПЧР, ПЧС - подача на черновые зубья, подача на чистовые зубья.
Ребро lX]22(MP4 {x ]22(MCT),xf22(MKM),xf22(}n)} формирует выбор материала протяжки, где: ИСТ - инструментальные стали; ИКМ - инструментальные композициционные материалы; УП - упрочнение.
Ребро 1Х123(СХР) = {х 123(П),Х 23(Г),Х 23(ГР)} ооределяяе выббо схемы резания для каждой части шлицевой протяжки, где: П -профильная; Г - генераторная; ГР - групповая.
Областью формирования условия эксплуатации протяжки является ребро 1ХЗ(УЭ) = {Х 3(ТП), Х3(СЧР), х](СЧС), Х 3(СОЖ), xf(MW), Х63(ТСС), Х (РПТ), Х3(ВЗС)} вершины которого формируют технологическую среду функционирования протяжки, где: ТП - тип производства; СЧР, СЧС - скорость резания - чистовая, скорость резания - черновая; СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость; МГО - материал протягиваемой детали, состояние поверхности, твердость и группа обрабатываемости; ТСС - техническое состояние протяжного станка; РПТ - регламент переточки протяжки; ВЗС -величина зоны стачивания зуба. В графовой модели область формирования себестоимости изготовления протяжки является подмножеством гиперграфа Т1Х2 и определяет прямые затраты на изготовление, что вместе с накладными и прочими расходами образует ее стоимость.
Вершины ребра ІХ2КТСБГ {Х2і(М),Хг21(ЗПР),Хі21(РРИ),Х21(А), Х521(Э), ХЄ21(Р), Хи(НС)} образуют множества, которые характеризуют затраты на изготовление протяжки и формируют технологическую себестоимость, где: М - затраты на основные материалы (материал для режущей и хвостовой части протяжки); ЗПР -зарплата производственных рабочих; РРИ - расходы на режущий инструмент; А - амортизационные отчисления; Э- затраты на электроэнергию; Р - затраты на ремонт станков и оборудования; НС -затраты на наладку станков и оборудования.
Модель в виде гиперграфа Гц отличается простотой и наглядностью, но не способна в полной мере раскрыть внутренние причинно-следственные связи между факторами. Поэтому гиперграф целесообразно представить в виде направленного графа Г и (рис. 1.4), позволяющего построить матрицу инциденций (рис. 1.5) и выделять информацию в виде разделяющихся множеств, сечений и разрезов, каждый из которых может использоваться для выявления локальных причинно-следственных связей, влияющих на ту или иную характеристику надежности. Напр. на рис. 1.6 выделены сечения, образующие связи с выходом на работоспособность (рис. 1.6, а, б, е, ж), безотказность (рис. 1.6, в, г, ж), долговечность (рис. 1.6, д, ж, з) и ремонтопригодность (рис. 1.6, з).
С помощью этих сечений создается возможность выбора факторов, воздействуя на которые можно улучшить какую-либо из характеристик надежности. Связи между факторами в формализованном виде отражаются матрицей смежности. Рассмотрим некоторые из них. Работоспособное состояние протяжки - это такое состояние, когда обеспечивается качество обрабатываемых поверхностей (точность, шероховатость) при заданной производительности процесса протягивания. Выделим сечение модели
Разработка способа формирования боковых поверхностей входной части направляющих шлицевых выступов
Из требований, предъявляемых к стружечной канавке протяжки [117], выделим следующие: - форма канавки между зубьями не должна препятствовать свободному образованию и перемещению стружки при завивании последней в виток; - зуб должен противостоять усилиям, возникающим при протягивании; - размеры зубьев должны обеспечивать возможно большее количество переточек протяжки, которые производятся в основном по передней грани.
Существуют две формы стружечных канавок - это канавки с прямолинейной и криволинейной спинкой зуба.
Протяжки с прямолинейными спинками зубьев предназначены, в основном, для протягивания материалов, образующих стружку надлома. В силу их технологичности они используются и при изготовлении шпоночных и плоских протяжек [117].
Если же протяжка предназначается для протягивания материалов, образующих сливную стружку, то возникает необходимость обеспечения условий для нормального формирования стружечного валика и его свободного выпадения из канавки при выходе зуба из зоны резания. Последнее требование очень существенно и связано с производительностью протягивания, при котором затрата времени на очистку протяжки от стружки оказывает значительное влияние на эффективность процесса.
Анализ форм и размеров стружечных канавок по рекомендуемым соотношениям [32, 77, 85, 117] и их табулированным значениям, основанным на закономерностях образования стружки и ее формирования в стружечный валик, позволил получить аналитические зависимости, с помощью которых можно прогнозировать нормальное стружкообразование и проверять возможность свободного удаления стружечного валика из канавки.
Результаты многочисленных экспериментов [30, 63, 66, 77, 117] и наблюдения за работой протяжек в процессе их испытаний в базовой лаборатории по государственным испытаниям протяжного инструмента (ЧарИПО) подтверждают, что при протягивании стали и других вязких материалов формирование стружечного валика и его размещение в канавке протяжки происходит по двум принципиально разным схемам в зависимости от принятой скорости протягивания и толщины срезаемой стружки.
Если протягивание осуществляется с небольшими подачами (малая толщина стружки), то режущая кромка зуба, внедряясь в металл, значительно деформирует элементарное прямоугольное сечение стружки в трапецеидальное, что является первой предпосылкой завивания стружки. Далее деформированный элемент стружки, двигаясь по нормали к поверхности сдвига, встречается с передней поверхностью зуба и начинает свободно завиваться в спираль, постепенно приобретая форму цилиндрического валика. Диаметр валика, увеличиваясь за счет образования новых витков, заполняет радиусное дно стружечной канавки.
Дальнейшему увеличению диаметра валика препятствует дно канавки, передняя поверхность зуба, поверхность протягиваемой заготовки и поверхность спинки соседнего зуба, сопряженного с дном канавки. В этих условиях, при продолжении процесса протягивания зазоры между витками начинают уменьшаться и валик достигает наибольшей плотности. Такое состояние валика должно быть совмещено с завершением процесса протягивания, иначе может произойти разрушение зуба или разрыв протяжки.
При протягивании с относительно большими подачами образующаяся стружка обладает значительной жесткостью и большим радиусом естественной кривизны. Для завивания такой стружки в спираль требуется дополнительная сила воздействия, что и создается протяжкой со стороны передней поверхности зуба и радиусного дна канавки. Образование валика происходит в условиях принудительного завивания стружки. Стружка, радиус которой больше радиуса дна канавки, двигается по передней поверхности зуба, достигает канавки, вписывается в его профиль и деформируется в первый виток валика. Радиус этого витка оказывается значительно меньше первоначального радиуса кривизны. Образовавшийся виток, отрываясь от спинки канавки, упруго деформируется и переходит на новую траекторию движения. В этих условиях витки спирали валика взаимно проворачиваются и скользят по поверхностям друг друга. Внутренние витки валика деформируются наружными, уменьшаясь в диаметре и, как следствие этого процесса, возникают силы деформирования и трения на всем участке соприкосновения витков между собой и наружного витка валика с поверхностью стружечной канавки. Быстрый рост результирующей силы приводит к торможению стружки. Завивание витков прекращается, хотя внутри валика еще имеется свободное пространство. В этом случае валик еще не плотный, но процесс протягивания должен быть завершен во избежание разрушения протяжки.
В работах [77, 117] отмечается, что касание витком стружки спинки и обрабатываемой заготовки может привести к его дополнительному деформированию и потере округлой формы. В ряде случаев это способствует заклиниванию в ней стружечного валика.
Отмечая оптимальность форм и размеров рекомендуемых профилей канавок, следует указать на отсутствие общих расчетно-аналитических зависимостей, определяющих положение спинки зуба как элемента стружечной канавки. Ориентацию спинки зуба относительно других элементов стружечной канавки необходимо увязать с требованием беспрепятственного формирования стружечного валика и условием свободного выпадения его из канавки после окончания процесса протягивания. Рассмотрим две формы стружечной канавки.
А. Спинка зуба протяжки прямолинейная (рис.2.1). В этом случае задача сводится к определению угла спинки зуба со при сохранении всех других параметров рекомендуемой канавки.
Угол со образуется пересечением спинки канавки с задней поверхностью зуба в точке К (задний угол ос в расчет не принимается ввиду его малости). Точка К является одной из крайних точек прямолинейной спинки. Другая крайняя точка прямой определяется точкой f сопряжения ее с дном канавки. Выбор этой точки необходимо осуществить из условия беспрепятственного удаления валика из стружечной канавки. После окончания процесса протягивания сформировавшийся валик лишившись опоры о поверхность детали стремится упруго разжаться и повернуться вокруг точки А. Если при этом повороте на пуТИ его движения не будет препятствий то тогда витки валика в момент выхода зуба из зоны резания УПРУГо разожмутся и валик повернувшись воКРУГ точки А по дуге радиуса A_f свободно соскользнет по гладкой поверхности канавки
Согласно этому условию, точка сопряжения Г спинки зуба с дуговым участком дна канавки должна располагаться на продолжении прямой, соединяющей точку А с точкой О. Любая другая возможная точка сопряжения, лежащая на дуге радиуса г правее точки f (напр., точка fi) не будет отвечать требованиям беспрепятственного стружкообразования и свободного удаления валика из канавки. В этом случае, при прохождении стружкой расстояния ffi дугового участка дна канавки витки подвергнутся дополнительной деформации, так как расстояние Afl меньше расстояния Af, что повлечет за собой деформацию валика, он потеряет цилиндрическую форму и может заклиниться в канавке
Выявление зависимостей между объемом припуска на шлифование боковых поверхностей зубьев и параметрами конструктивных элементов протяжки
Таким образом, из рассмотренных конструкций шлицевых выступов зубьев протяжек, работающих по генераторной схеме резания наиболее предпочтительным является выступ, изображенный на рис.4.16. Наличие вспомогательных углов в плане ері и задних боковых углов оса режущих зубьев участвующих в формировании боковых поверхностей паза детали гарантирует получение требуемой
При изготовлении шлицевых протяжек предварительное прорезание шлицевых выступов зубьев осуществляется фрезерованием припуска 1 с обеспечением припусков 2, 3 и 4 на последующее (после термической обработки) шлифование профиля, формирование поверхностей бокового поднутрения и обработку шлицевых впадин по внутреннему диаметру (рис.4.2).
Согласно действующей технологии изготовления шлицевых протяжек (з-ды ЗИЛ, МИЗ, СИЗ, ЧарИПО Й-ОИЗ и др.) фрезерование шлицевых впадин зубьев с любым профилем шлиц (прямобочным, трапецеидальным, эвольвентным и т.д.) и любого типа исполнения - с профильной ленточкой Г или без нее, производится на горизонтально или продольно-фрезерных станках с использованием комплектных одноугловых или двуугловых несимметричных дисковых фрез трехстороннего резания. Находят применение также симметричные двуугловые фрезы трехстороннего резания, обрабатывающие полный профиль впадины между шлицевыми выступами. В ряде случаев фрезерование шлицевых выступов зубьев протяжек целесообразно производить методом обката на шлицефрезерных станках червячными фрезами.
Дальнейшее формирование боковых поверхностей шлицевых выступов зубьев осуществляется шлифованием на шлицешлифовальных станках методом копирования с помощью предварительно заправленных, в соответствие с требуемым профилем, шлифовальных кругов [10, 78].
Шлицевые протяжки, зубья которых имеют профильные ленточки Г и углы бокового поднутрения ф1 шлифуются за два операционных перехода (рис.4.2а). При первом операционном переходе шлифовальным кругом, заправленным в соответствие с профилем шлицевой впадины протягиваемой детали, сошлифовывается припуск 2 с боковых поверхностей шлицевых выступов зубьев и выдерживаются размеры, характеризующие толщину каждого зуба по наружному и остальным диаметрам. За второй переход обеспечивается высота ленточки Г путем удаления припуска 3 с бокового участка зуба ниже точки Ъ под углом бокового поднутрения фі.
В случае корригированных протяжек (рис.4.2б) шлифование профиля совмещается с поднутрением и профиль шлифовального круга не совпадает с профилем шлицевой впадины протягиваемой детали, а шлифование шлицевых выступов осуществляется в положении, когда задний центр протяжки имеет определенное превышение над передним [77, 79, 117]. При таком способе шлифования получается, что толщина шлицевого выступа каждого зуба, измеренная по наружному диаметру, равна ширине паза протягиваемой детали и всегда больше толщины шлицевого выступа последующего зуба, измеренного на том же диаметре, вследствие чего процесс протягивания осуществляется без трения между боковыми поверхностями шлицевых выступов зубьев протяжки и протянутыми боковыми поверхностями шлицевых впадин детали.
Шлифованием достигается необходимая точность размеров, улучшение свойств поверхностного слоя и уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности. Но наилучшим вариантом любой операции, в том числе и шлифовальной, является тот, при котором кроме обеспечения требуемого качества, обеспечивается и экономическая эффективность, т.е. когда уменьшается норма времени на обработку. Возможность сокращения нормы времени связана с уменьшением основного to и вспомогательного времени 1в.
Уменьшить основное время на шлифование шлиц можно ужесточением режимов резания путем увеличения скорости продольной подачи Уст и величины поперечной подачи Snon. При увеличении скорости Уст, время на осуществление возвратно-поступательного перемещения стола станка уменьшается, а при увеличении поперечной подачи Snon сокращается количество проходов, необходимых для шлифования всего припуска, что также уменьшает to. Однако, ужесточение режимов шлифования приводит к силовым перегрузкам технологической системы и к выделению большого количества тепла, которое распределяется между ее элементами, вызывая их деформацию, а при определенных условиях и к изменению структуры поверхостного слоя, что является основной причиной возможного появления микро- и макротрещин на рабочих поверхностях зубьев и сколов на режущих кромках.
Для уменьшения интенсивности термодинамического воздействия на элементы технологической системы при повышенных режимах резания, рекомендуется применять прерывистые и высокопористые абразивные круги, оптимальный состав СОЖ и эффективные способы ее подвода в зону резания, эльборовый инструмент, рациональную правку шлифовальных кругов и т.д. [1, 122, и др]. Но повысить производительность процесса шлифования без ухудшения качества обработки, даже при выполнении вышеуказанных рекомендаций, задача сложная и противоречивая, т.к. она обусловлена большим набором объективных и субъективных факторов, определяющих организацию производства или его реорганизацию, связанную с дополнительными расходами, соблюдением определенных регламентов и т.д. и любое ужесточение режимов шлифования против оптимальных, в конечном счете, приводит к снижению качества обработки и к ухудшению технико-экономических показателей.