Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы формирования резьб на стержневых изделиях пластическим деформированием. задачи исследования 7
1.1. Способы формирования наружной резьбы накаткой. Анализ результатов известных исследований в области накатки резьбы 7
1.2. Путевые шурупы: конструкции и технологии изготовления 13
1.3. Анализ причин образования брака и дефектов при накатке крупной резьбы 21
1.3. Задачи исследования 25
2. Математическое моделирование процесса формирования резьбы накаткой с использованием метода конечных элементов 27
2.1. Основные положения метода конечных элементов, используемые в программном комплексе «DEFORM-3D» 27
2.2. Результаты компьютерного моделирования процесса накатки резьбы на путевых шурупах 32
3. Совершенствование методики прогнозирования точности накатанной резьбы 46
3.1. Проблемы обеспечения точности резьбы при накатывании 46
3.2. Жесткость резьбонакатных станков 52
3.3. Основы методики определения случайных погрешностей накатанной резьбы 53
3.4. Прогнозирование точности резьбы путевых шурупов, формируемой накаткой плоскими плашками 61
4. Разработка методики прогнозирования износостойкости инструмента для накатки резьбы 70
4.1. Основы методика прогнозирование износостойкости
4.2. Исследование кинематики процесса формирования крупной резьбы при использовании различных способов накатывания 80
4.3. Определение показателя энергетической интенсивности изнашивания (ПЭИИ) 86
4.4. Расчет ресурса работы плашек для горячей накатки путевых шурупов 89
5. Экспериментальные исследования процесса накатки резьбы на путевых шурупах. совершенствование технологии и конструкции накатного инструмента 94
5.1. Влияние диаметра под накатку и температуры нагрева заготовки на качество резьбы 94
5.2. Исследование причин образования брака по внутренним дефектам 96
5.3. Влияние поверхностных дефектов на качество резьбы. Эффект закручивания 99
5.4. Выбор рациональной технологии изготовления путевых шурупов. 105
5.5. Новые технические решения по совершенствованию конструкции резьбонакатных плашек 108
5.6. Расчет ожидаемого экономического эффекта 118
Заключение 121
Список использованных источников
- Путевые шурупы: конструкции и технологии изготовления
- Результаты компьютерного моделирования процесса накатки резьбы на путевых шурупах
- Основы методики определения случайных погрешностей накатанной резьбы
- Определение показателя энергетической интенсивности изнашивания (ПЭИИ)
Введение к работе
* Актуальность работы. В настоящее время при массовом производстве резьбовых крепежных изделий (болты, винты, шурупы, шпильки и т.п.) формирование резьбы осуществляют, как правило, накатыванием. Применение процессов формирования наружных резьб пластическим деформированием по сравнению с процессами нарезания обеспечивает повышение производительности труда в 3^-5 раз, экономию металла (1СН-15%), а также повышение надежности и долговечности накатанных деталей.
При накатывании крупной резьбы возникают проблемы, связанные низким качеством изделий из-за плохого оформления выступов резьбы и появления отслоений и задиров во впадинах резьбовой поверхности, которые возникают вследствие проскальзывания резьбообразующего инструмента относительно накатываемой заготовки. Вышеуказанные дефекты могут быть снижены или полностью устранены за счет применения рациональных схем и режимов деформирования. Поэтому поиск эффективных технологий и режимов накатывания резьбы с использованием современных методов исследования процессов ОМД позволяет решить актуальную проблему повышения качества крупной резьбы, получаемой пластическим деформированием.
Точность накатанной резьбы зависит от жесткости силовой системы «станок - инструмент - заготовка» и колебания радиальных усилий накатывания, которые возникают в результате колебаний технологических факторов (размеры заготовки, механические свойства материала накатываемой заготовки, условия трения, температура и т.п.). На стадии проектирования технологии накатывания резьбы необходимо прогнозировать влияние этих колебаний на погрешности геометрических размеров получаемых резьб.
Резьбонакатной инструмент работает в условиях интенсивного абразивного истирания рабочих поверхностей. Его износ зависит от внешних воздействий: усилий, действующих на инструмент со стороны накатываемой заготовки, температуры металла, скорости накатки и скорости проскальзывания, марки стали накатываемого изделия и др. Разработка методики прогнозирования износостойкости резьбонакатного инструмента позволит определять его ресурс и необходимость своевременной замены.
Поэтому очевидна необходимость разработки математических моделей и методик, применение которых в расчетах процессов накатывания, позволит с высокой точностью определять напряженно-деформированное состояние в накатываемой заготовке и энергосиловые параметры резьбоформи-рования, что обеспечит высокую надежность поиска рациональных схем и режимов деформирования, с целью повышения качества изделий и износостойкости накатного инструмента.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Государственный контракт № 14.740.11.0684 от 12.10.2010 г.
Целью работы является повышение эффективности процессов накатывания изделий с резьбой крупных размеров путем поиска и применения рациональных режимов деформирования и совершенствования конструкции резьбонакатного инструмента.
Задачи исследования:
выполнить компьютерное моделирование процесса формирования резьбы пластическим деформированием с учетом особенностей процессов накатки, определить напряженно-деформированное состояние в накатываемой заготовке и энергосиловые параметры процесса деформирования;
усовершенствовать методику прогнозирования точности накатываемой резьбы за счет применения надежных результатов компьютерного моделирования, которые позволят с высокой точностью учитывать колебания технологических параметров в системе «станок - инструмент - заготовка»;
выявить закономерности контактного взаимодействия резьбонакатного инструмента и накатываемой заготовки и разработать методику прогнозирования стойкости инструмента, с целью поиска новых технических решений по повышению ресурса работы инструмента;
разработать новые технические решения, применение которых позволит повысить эффективность процесса накатывания путевых шурупов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- усовершенствована методика прогнозирования точности накатываемой
резьбы, позволяющая с высокой точностью учитывать влияние колебаний
технологических параметров (предел текучести сг0 материала заготовки,
температура Т, коэффициент трения jU , диаметра d0 и длина L участка заготовки под накатку) на изменение диаметра формируемой резьбы;
установлены закономерности контактного взаимодействия резьбонакатного инструмента и накатываемой заготовки и получена зависимость, описывающая характер изменения касательных напряжений на поверхности контакта, что позволило разработать методику прогнозирования износостойкости инструмента и ресурса его работы;
выявлены закономерности кинематики процесса формирования резьбы при накатке роликами, плашками и инструментом «ролик-сегмент» и установлено, что максимальное проскальзывание инструмента относительно деформируемого металла наблюдается при накатке роликами;
- экспериментально выявлен эффект закручивания при горячей накатке
крупной резьбы тремя роликами и установлено, что подобный эффект не на
блюдается при накатке плоскими плашками.
Практическая значимость работы. Разработанные компьютерные модели и методики позволяют с высокой точностью определять напряженно-деформированное состояние в накатываемой заготовке и резьбонакатном инструменте, рассчитывать энергосиловые параметры процессов накатывания, прогнозировать точность накатанных резьб и износостойкость резьбообра-
зующего инструмента, что дает возможность технологам и конструкторам метизных и машиностроительных предприятий с высокой надежностью разрабатывать технологические процессы, проектировать инструмент и резьбо-накатное оборудование.
Практическое использование разработанных технических предложений и решений (патент РФ № 2336140 на изобретение и патенты РФ №№ 39101, 54840 и 107988 на полезные модели) позволяет снизить затраты на производство, повысить качество накатываемых изделий и срок службы резьбонакатного инструмента. Ожидаемый экономический эффект - 14,99 млн. руб.
Реализация работы. Результаты работы использовались в условиях ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» при совершенствовании технологии изготовления путевых шурупов, при разработке технических предложений по модернизации резьбонакатных автоматов А2424 применительно к горячей накатке путевых шурупов плоскими плашками.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на ежегодных конференциях ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» по итогам научно-исследовательских работ за 2004-2010 гг., на VII (г. Москва, 2007 г.) и VIII (г. Магнитогорск, 2010 г.) Конгрессах прокатчиков, на Международных промышленных форумах «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск) в 2007, 2009, 2010 гг., на конкурсе грантов УМНИК (г. Магнитогорск, 2009 г.).
Публикации. Основные положения и результаты работы изложены в 17 научных статьях и тезисах докладов, патенте на изобретение, 3 патентах на полезные модели и зарегистрированной программе для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 128 наименований и приложения. Работа содержит 137 стр. машинописного текста, 65 рисунков, 10 таблиц.
Путевые шурупы: конструкции и технологии изготовления
При изготовлении стержневых изделий с резьбой, в основном, используются три способа накатывания наружных резьб: плоским инструментом (плашками), приводным цилиндрическим инструментом и неприводным цилиндрическим инструментом (вращающимися резьбонакатными головками).
Накатывание плоскими плашками осуществляется с тангенциальной подачей инструмента на обрабатываемую заготовку. Накатывание приводным цилиндрическим инструментом производится с радиальной, тангенциальной, продольной или комбинированной подачей инструмента [1,2].
Накатывание плоскими плашками с тангенциальной подачей инструмента имеет следующие разновидности: - двумя плашками (подвижной и неподвижной); - тремя плашками (двумя неподвижными и одной подвижной); - специальными плашками (одной обычной неподвижной и одной подвижной с несколькими заборными частями); - плашкой со специальными вставками. представлены схемы различных разновидностей способа накатки плашками. Наиболее широкое применение получило накатывание двумя плашками: заготовку помещают между подвижной и неподвижной плашками, на рабочих сторонах которых выполнены под углом подъема резьбы прямолинейные поверхности, соответствующие в поперечном сечении профилю резьбы. Подвижная плашка совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Специальными плашками: одной обычной неподвижной и одной подвижной с несколькими заборными частями Для изготовления деталей типа болтов, винтов, шпилек, шурупов и других цилиндрических изделий. Плашками со специальными вставками 1, длина которых соответствует длине накатываемой резьбы большего диаметра; 2 - паз; 3 — болты; 4 — плашки Одновременное накатывание нескольких резьб на цилиндрических заготовках типа болтов, отличающихся между собой диаметрами на 0,25 — 0,6 мм.
За счет действия радиального усилия, т.е. усилия, направленного перпендикулярно оси заготовки, негативный профиль резьбы, нанесенный на плашки, передается на обрабатываемую заготовку. При достаточной длине калибрующих частей плашек и применении ползуна и направляющих, выполненных с максимальной точностью, можно получать резьбы 1-го класса точности. Этот факт является одним из преимуществ данного способа формирования резьб по сравнению с другими. При накатывании резьбы тремя плашками производительность увеличивается в 2 раза. Заготовка подается к двум неподвижным плашкам. При прямом ходе подвижной плашки осуществляется накатывание резьбы на одной заготовке, а при обратном — на другой.
Процесс накатывания резьбонакатными головками (неприводным цилиндрическим инструментом) осуществляется при тангенциальной подаче инструмента на обрабатываемую заготовку.
Накатывание приводным цилиндрическим инструментом может осуществляться за счет радиальной, тангенциальной, продольной или комбинированной подачи инструмента на обрабатываемую заготовку (или заготовки на инструмент). Схемы различных разновидностей способов накатывания приводным и неприводным цилиндрическими инструментами представлены в табл. 1.2. Подача заготовок осуществляется различным инструментом: за-тылованными роликами; роликами, которым сообщаются разные окружные скорости вращения; вращающимся резьбовым роликом и расположенными соосно с ним резьбовыми сегментами (подвижными или неподвижными).
Процесс накатывания двумя роликами является одним из распространенных способов резьбоформирования. При накатывании резьбы затылован-ными роликами рабочая поверхность одного или обоих роликов состоит из выемки, заборной, калибрующей и сбрасывающей частей. Выемка не имеет профилирующей поверхности и служит для ввода заготовки в зону накатывания и вывода заготовки после завершения накатывания резьбы. Отсутствие необходимости сближения роликов при накатывании резьбы позволяет значительно упростить кинематическую схему резьбонакатных станков [1]. Планетарный процесс накатывания осуществляется вращающимся резьбовым роликом и неподвижными резьбовыми сегментами. Наружная поверхность накатного ролика и внутренняя поверхность сегмента имеют резьбу с профилем, соответствующим профилю накатываемой резьбы. Заготовка помещается между рабочими поверхностями ролика и сегмента. Чем больше сегментов, тем меньше путь накатывания и тем выше производительность. Высокая стоимость оборудования и высокие затраты на изготовление инструмента порой делают процесс планетарного накатывания экономически нецелесообразным.
При работе по способу продольной (осевой) подачи инструмента (или заготовки) перемещение происходит в результате ввинчивания (вывинчивания) заготовки в результате вращения роликов. Накатывание осуществляется двумя или тремя роликами с кольцевой нарезкой. Основным достоинством этого способа накатывания является то, что независимо от ширины роликов резьбу на заготовках можно накатывать практически любой длины.
Анализируя вышеизложенные материалы, следует отметить, что наиболее широкое применение в отечественной и зарубежной промышленности получили процессы накатывания плоскими плашками, планетарная накатка инструментом «ролик-сегмент» и цилиндрическими роликами с винтовой нарезкой.
На основании анализа патентно-информационных материалов выявлено следующее. Теории и практика накатывания резьбы начали интенсивно развиваться с 40-х ... 50-х гг. XX века. Здесь следует отметить работы немецких ученых X. Апеля [19], В. Нясера [20], Г. Монтага и Д. Кенига [21], Т. Форре-са [22], японских исследователей А. Ямамото, И. Есимото [23-25], американского ученого Д. Далласа [26] и др. Среди первых ученых, которые занимались проблемами накатки резьбы, следует отметить Ю.Л. Фрумина [18], А.П. Губина [27], В.И. Загурского [28-30], В.Г. Дейнеко [31].
Результаты компьютерного моделирования процесса накатки резьбы на путевых шурупах
В теории ОМД известны эмпирические формулы для аппроксимации уравнения (2.12) аналитическими зависимостями [65-69]. Однако, как правило, эти формулы обладают определенными погрешностями и недостаточно точно передают количественный и качественный характер зависимости (2.12). В программном комплексе «DEFORM-3D» не используются эмпирические формулы, а аппроксимацию сопротивления деформации в зависимости от термомеханических параметров осуществляют непосредственно на основе экспериментальных данных, представленных в виде таблиц.
В основу МКЭ, применяемого в программном комплексе «DEFORM-3D», положен вариационный принцип Лагранжа, согласно которому истинное состояние системы отличается от всех возможных тем, что сообщает полной энергии деформации минимальное значение [70].
Расчеты выполняются поэтапно. Величина перемещений, деформаций и напряжений на каждом шаге определяется как U = U.+AU ; є = є.+Ає ; а = а„+Аа , (2.13) где Ut,s,,a,- значения перемещений, деформаций и напряжений на предыдущем шаге. Параметры Ut,et,cxt обеспечивают минимум функционала полной энергии деформации на предыдущем этапе. Поэтому задача сводится к определению приращений функций AU,Ae,Aa, при которых также функционал имеет минимальное значение. Функционал, описывающий полную работу деформации не некотором шаге деформирования, имеет вид Структура функционала (2.14): первое слагаемое представляет собой работу внутренних сил, второе слагаемое — работу массовых сил, третье слагаемое - работу поверхностных сил (сил трения).
Функционал (3.14) выражается через матричные и векторные составляющие (матрица базисных функций элементов, вектор узловых перемеще 31 ний и т.п.), а интегралы заменяются суммами и задача сводится к решению систем линейных уравнений относительно перемещений. По найденным значениям AU1,AU2,...,AU„ определяются перемещения U, деформации є, скорости деформации , напряжения а, компоненты тензоров деформации и напряжений, интенсивность деформаций, интенсивность напряжений, силы нормального давления, силы трения на поверхности контакта металла с инструментом, распределение температуру по объему деформируемой среды (температурные поля) и другие параметры.
Работа с использованием программного комплекса «DEFORM-3D» осуществляется в следующей последовательности: 1. В зависимости от конкретных условий (форма исходной заготовки и форма отштампованного изделия, форма инструмента, условия деформирования и т.п.) выбирается тип конечно-элементного анализа, то есть определяется, какая задача решается (плоская, осесимметричная или объемная). 2. Создаются геометрические модели исходной заготовки и инструмента (подвижного и неподвижного). 3. На заготовку наносится сетка конечных элементов. 4. Задаются реологические свойства заготовки, для чего используется либо имеющаяся в ПК «DEFORM-3D» база данных, либо термомеханические свойства материала заготовки задаются с помощью таблиц. 5. Устанавливается температура, при которой начинается процесс деформирование заготовки. 6. Задаются условия на поверхности контакта заготовки и инструмента (коэффициент трения). 7. В зависимости от типа применяемого оборудования устанавливается закон движения подвижного инструмента, в частности, при моделировании процесса штамповки на кривошипных прессах задаются угловая скорость вращения кривошипа и длины кривошипа и шатуна. 8. С заданной точностью выполняются расчеты. При этом определяются перемещения U, деформации є, скорости деформации , напряжения а, компоненты тензоров деформации и напряжений, интенсивность деформаций, интенсивность напряжений, сила нормального давления, сила трения на поверхности контакта металла с инструментом, распределение температуру по объему деформируемой среды. 9. Результаты расчетов представляются либо в виде полей распределения соответствующих параметров по объему деформированного тела, либо в виде численных значений в узлах деформированной сетки.
Важнейшим этапом моделирования процессов деформирования, от которого зависят точность и трудоемкость расчетов, является нанесение сетки конечных элементов. В программном комплексе «DEFORM-3D» в зависимости от типа решаемой задачи (плоская, осесимметричная или объемная) сетка элементов наносится с использованием треугольников, четырехугольников, тетраэдров, трехгранных призм (пятигранников), шестигранников.
Программный комплекс «DEFORM-3D» позволяет в зависимости от заданных условий автоматически разбивать деформируемый объем на необходимое количество элементов и изменять сетку в процессе моделирования. При этом можно задавать различные типы элементов для деформируемого тела одной и той же формы (треугольники и четырехугольники, тетраэдры и шестигранники.
Программный комплекс «DEFORM-3D» позволяет при необходимости изменять плотность сетки элементов в отдельных зонах деформируемого тела.
Реальные процессы накатки резьбы, которая представляет собой сложную винтовую поверхность, чрезвычайно сложны. Поэтому рассматривался процесс формирования на цилиндрической поверхности кольцевых выступов, профиль которых соответствует профилю резьбы, поперечной прокаткой с помощью инструмента в виде подвижной и неподвижной плашек. На начальном этапе процесса моделирования, используя программный комплекс «КОМПАС», создавались виртуальные объемные модели инструмента и заготовки. Инструмент задавался в виде параллелепипедов, у которых на рабочей поверхности выполнялись продольные канавки, профиль которых соответствовал профилю выступов резьбы путевых шурупов (см. рис. 1.4) с шагом равным 12,5 мм. Заготовка задавалась в виде цилиндра с диаметром 21,6 мм, значение которого определено на основании экспериментальных исследований (см. раздел. 5.1 данной работы).
Объемные виртуальные модели инструмента и заготовки конвертировались в ПК «DEFORM-3D» и соответствующим образом размещались. Плашки располагались параллельно с зазором, равным диаметру заготовки, в котором размещалась заготовка. Ось заготовки располагалась перпендикулярно канавкам плашек.
Заготовка разбивалась на 100000 элементов в виде тетраэдров. Материал заготовки сталь 20 (аналог DIN С15). Реологические свойства задавались из базы данных программного комплекса «DEFORM-3D».
Основы методики определения случайных погрешностей накатанной резьбы
Под точностью изготовления деталей понимается степень приближения значений их геометрических параметров по размерам и форме к значениям этих параметров, которые регламентированы в нормативно-технической документации (ГОСТы, ТУ, и т.п.) [71]. Количественным критерием оценки точности является наибольшая величина отклонений соответствующих размеров от их регламентированных значений. Точность резьбы является комплексным показателем, который оценивается по следующим параметрам [72-75]: - точность размеров (наружный и внутренний диаметры, шаг резьбы и др); - точность формы профиля резьбовой части; - точность взаимного расположения поверхностей (соосность резьбовой и гладкой частей детали). Точность размера (диаметр, шаг, угол профиля и т. д.) регламентируется соответствующими допусками. При попадании размера в соответствующее поле допуска размер считается точным.
К отклонениям формы в поперечном сечении относятся овальность, огранка, а в продольном сечении - конусность, изогнутость. Особенно высокие требования к точности формы предъявляются в ответственных соединениях, где погрешность формы отражается на их эксплуатационных характеристиках.
Общая погрешность изготовления резьбовых деталей является следствием влияния ряда физико-механических и технологических факторов процесса накатывания [2]. Каждый фактор вызывает образование характерных первичных погрешностей изготовления, к числу которых относятся: 1) погрешности, вызываемые неточностью исходной заготовки и колебаниями механическими свойствами материала заготовки; 2) погрешности, вызываемые размерным износом резьбообразующего инструмента; 3) погрешности, порождаемые колебанием температуры заготовки; 4) погрешности настройки станка; 5) погрешности, вызываемые неточностью изготовления резьбообразующего инструмента. Расчет и анализ отклонений погрешностей, возникающих при изготовлении резьбовых деталей на станках, осуществляется двумя методами: рас-четно-аналитическим и статистическим [48].
При статистическом методе суммарная погрешность определяется непосредственно (без анализа первичных погрешностей) путем измерения некоторого числа деталей и обработки результатов измерения с помощью методов математической статистики. Расчетно-аналитический метод основан на проведении теоретических и экспериментальных исследований, имеющих целью выявить первичные погрешности и установить функциональную зависимость между той или иной погрешностями и факторами, их порождающими. Суммарная погрешность при расчетно-аналитическом методе определяется в зависимости от характера и взаимодействия первичных погрешностей.
Расчетно-аналитический метод по сравнению со статистическим обладает тем преимуществом, что, при использовании этого метода, предоставляется возможность одновременного анализа технологического процесса и изыскания методов воздействия на него, с целью достижения требуемой точности.
Рядом исследователей предлагались различные методики для прогнозирования точности резьб, получаемых различными способами накатывания. В работе [48] предложена формула для расчета погрешности среднего диаметра резьбы, накатываемой роликами: Ad2=Ajd2-A3am, (3.1) где Ad2 - погрешность среднего диаметра готовой резьбы, kjd2=- , Jcucm Р - радиальное усилие накатывания, jcucm - коэффициент жесткости упругой системы «станок - приспособление - инструмент - заготовка», Азат - предварительная деформация, позволяющая выбрать зазоры и повысить жесткость упругой системы.
Из формулы (3.1) видно, что деформация A =d2 упругой системы и определяет искомую погрешность Ad2. Однако, очевидно, что значение коэффициента жесткости системы, а значит и слагаемого Ajd2 в формуле (3.1) можно учесть при настройке положения инструмента, сведя тем самым погрешность диаметра, определяемую этим слагаемым к нулю. Более правиль 49 ным, было бы в качестве искомой погрешности рассматривать значение отклонения упругого смещения системы от его прогнозируемого значения АР АМ2= =—, (3.2) J сист где АР - изменение усилия накатывания, вызванное колебаниями технологических факторов процесса накатывания.
Поскольку значение усилия накатывания зависит от значений этих факторов, то при наличии установленной непрерывной дифференцируемой функциональной зависимости между ними и при малых значениях отклонений параметров, значение АР в формуле (3.2) можно рассматривать как полный дифференциал функции Р.
В работе [2] приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований проблем повышения точности накатывемой резьбы. Выявлены факторы, влияющие на точность резьбы: колебание диаметра стержня заготовки; колебания упругих деформаций системы «станок-инструмент»; колебания температуры инструмента и сопрягаемых с ним деталей; нестабильность наладки; износ накатного инструмента. Приведены эмпирические формулы для расчетов случайных погрешностей, возникающих в результате колебаний вышеотмеченных факторов. Однако, применяемые методы определения случайных погрешностей базируются на упрощенных подходах и не обеспечивают требуемую точность.
В работах [23-26] рассмотрены некоторые вопросы, касающиеся повышения качества и точности резьб, накатываемых двумя роликами и инструментом «ролик-сегмент». При этом проведен анализ влияния различных факторов, таких как глубины вдавливания инструментов, жесткости оборудования и др. на точность и качество накатанной резьбы. Отмечено, что при проектировании накатного инструмента необходимо определять усилие вдавливания инструментов в заготовку. Однако не предложено никаких методов для его расчета и тем более не приведено никаких функциональных зависимостей усилия от параметров процесса накатывания. В связи с вышеотмеченным, очевидной является необходимость разработки методики, позволяющей с высокой точностью рассчитывать величину погрешностей диаметров накатанных резьб которые образуются в результате колебаний наиболее характерных реологических, геометрических, механических и технологических факторов процесса накатывания. При этом необходимым является наличие непрерывных дифференцируемых функциональных зависимостей усилия от этих факторов.
Точность резьбы зависит от колебаний различных факторов процесса накатывания (размеры заготовки, механические свойства материала накатываемой заготовки, условия трения, температура и т.п.), а также жесткости силовой системы «станок - инструмент - заготовка». На стадии проектирования технологического процесса накатывания резьбы необходимо прогнозировать влияние этих колебаний на погрешности геометрических размеров получаемых резьб. Поэтому очевидна необходимость разработки математических моделей и методов, применение которых к расчетам процессов накатывания, позволит с высокой точностью определять энергосиловые параметры резьбонакатывания, что позволит прогнозировать точность накатываемой резьбы и износостойкий накатного инструмента.
Определение показателя энергетической интенсивности изнашивания (ПЭИИ)
В основу известных методик расчетов по определению диаметра под накатку резьбы [1,2] положено предположение о равенстве объемов, вытесняемых из впадин в выступы. Предварительный расчет диаметра под накатку по известным методикам показал, что диаметр исходной заготовки должен составлять 21,2 мм. Однако, проведенные эксперименты показали, что при таком диаметре металл не заполняет выступы резьбы и происходит недооформление выступов (высота выступов «4 мм, наружный диаметр «23 мм) и резьба не соответствует требованиям нормативно-технической документации (НТД).
Поэтому проведена серия экспериментов по поиску рационального диаметра под накатку. У образцов изменялся диаметр участка под накатку при неизменных длине заготовки (Ьзаг. - 160 мм), длине редуцированной части (Ьред. - 95 мм) и температуре нагрева t=l 100 С. Результаты замеров приведены в таблице 5.1.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что наилучшие результаты получены при значениях диаметра под накатку dn = 21,5+21,6 мм, внутренний и наружные диаметры накатанной резьбы при этом соответствуют регламентированным НТД значениям.
Проведены экспериментальные исследования влияния температуры нагрева на качество накатанной резьбы. Исходные заготовки с диаметром под накатку dn = 21,6 мм при длине заготовки Ьзаг. = 160 мм нагревались до температур 1000 С и 1100 С и накатывались на трехроликовом станке. Контроль температуры осуществлялся оптическим пирометром. Результаты экспериментов представлены таблице 5.2
Анализ результатов экспериментов показал, что внутренний и наружный диаметры резьбы соответствуют требованиям НТД. При неизменных диаметре под накатку и длине заготовки повышение температуры нагрева под накатку на 100С увеличивает вытяжку изделия при накатке в среднем на 1,8мм.
Нормативные документы на путевые шурупы (ГОСТ 809-71 и ТУ 1293-165-01124323-2005) предусматривают испытание на изгиб при контроле качества и приемке готовой продукции. С целью получения высококачественной продукции с отсутствием дефектов исследовали влияние марочного состава стали и температурно-временных режимов накатки резьбы на качество готовых изделий. Нормативной документацией на путевые шурупы предусмотрено применение для их производства низкоуглеродистых спокойных и кипящих сталей (Ст.3,10, Юкп, 20, 20кп).
Из литературных источников и производственного опыта известно, что низкоуглеродистые кипящие стали находят широкое применение для холодной штамповки изделий, а спокойные - и для холодного, и для горячего пластического деформирования.
Проведены исследования двух партий шурупов, которые разрушились в процессах испытаний и эксплуатации.
По результатам проведенного химического анализа установлено, что марка стали образцов шурупов первой партии соответствовала стали марки 20кп по ГОСТ 10702-78. Микроисследование проводили на продольных образцах, вырезанных из резьбовой части и гладкой части стержней шурупов. Результаты исследования микроструктуры приведены в табл.5.3. феррит выделяется в виде длинных пластин (игл), прорезывающих зерна перлита. Такая структура образуется в результате перегрева стали выше точки Аг3. Металл с такой структурой характеризуется низкими механическими свойствами, крупнозернистостью, при приложении нагрузки происходит крупнокристаллический излом по границам зерен. Наблюдается в основном в литых сталях с пониженным содержанием углерода.
Установлено, что при изготовлении данной партии шурупов происходило застревание заготовок в щелевом индукторе с завышением времени нагрева, что и явилось причиной возникновения дефектов в осевой части стержня.
При исследовании второй забракованной партии путевых шурупов (стали марок Юкп и 20кп) были обнаружены дефекты металлургического производства: раскатанные газовые пузыри и неметаллические включения как внутри, так и снаружи изделий, что и явилось причиной их поломок (см.рис.1.11).
При накатке упорной шурупной резьбы тремя накатными роликами в осевой зоне накатываемого участка стержня возникает схема объемного напряженного состояния всестороннего растяжения [51,52], а также происходит вытяжка металла в осевом направлении, вызывающая дополнительные радиальные растягивающие напряжения. Исследования макро- и микроструктур резьбовой части стержня шурупов показали, что в центральной части имеется зона ярко выраженной пластической деформации, являющейся причиной осевой утяжки металла.
В результате в центре стержня при наличии неблагоприятных факторов (структура перегрева, наличие металлургических дефектов) может произойти разрушение материала в виде трещин, микропор и т.д. Данные дефекты обуславливают склонность к осевому разрушению стержня шурупа при эксплуатации.
Установлено, что осевая утяжка в центральной части стержня накатываемых шурупов зависит от нескольких факторов: степени деформации, применяемой марки стали (желательно с меньшим содержанием углерода), от наличия в исходной заготовке дефектов металлургического происхождения. В связи с тем, что степень деформации определяется геометрическими размерами стержня шурупа до и после накатки, которые регламентированы нормативной и технологической документацией (е= 54%), а все применяемые стали - низкоуглеродистые, то основным определяющим фактором в данном случае является качество исходного горячекатаного проката. Предпочтительно использовать стали по ГОСТ 10702-78, который регламентирует более жесткие технические требования по наличию дефектов.
На основании анализа кинематики процесса накатки, проведенного в разделе 4.2 данной работы, установлено, что в процессе накатки крупной резьбы тремя роликами наблюдается значительное проскальзывание инструмента относительно деформируемого металла [102]. В некоторых случаях (наличие поверхностных дефектов, обезуглероженного слоя и т.п.) проскальзывание инструмента приводит к образованию дефектов в виде отслоений на поверхности сформированной резьбы.
С целью выявления причин образования отслоений проведена серия экспериментов. В частности, моделировалось влияние поверхностных дефектов заготовки в виде рисок и поверхностных трещин на качество накатанной резьбы [127]. Создавалась искусственная риска, которая наносилась на образующую цилиндрической поверхности проредуцированного под накатку участка заготовки с помощью резца на строгальном станке. Горячую накатку заготовки с риской осуществляли на трехроликовом резьбонакатном станке (модель 3RP-CF, фирма «ORT», Италия). Анализ результатов экспериментов (рис.5.3) показал: 1. Наличие риски способствует образованию отслоений на накатанной резьбе. 2. В процессе накатки резьбовой участок подвергается существенно му закручиванию. Используя инструментальный микроскоп, проведены соответствующие замеры и расчеты, которые позволили определить характер изменения угла закручивания по длине резьбовой части (рис.5.4).
