Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЙ 16
Современное представление о резьбах, резьбовых соединениях и условиях их применения в ремонтном
сельскохозяйственном производстве 16
Анализ способов изготовления резьбы в условиях
ремонтных технических предприятий АПК 23
Анализ способов повышения долговечности и формирования эксплуатационных показателей резьбовых соединений. Обзор научных исследований
в области обработки резьбы 52
Обзор научных исследований в области электро
механической обработки 65
Выводы по первой главе 71
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
РЕЗЬБЫ 73
Особенности износа резьбовых соединений. Анализ исследований в области электромеханической
обработки 73
Анализ механизма развития дефектов резьбы 84
Технологические основы процесса отделочно-
упрочняющей электромеханической обработки
резьбы 86
Аналитическое обоснование способа отделочно-упрочняющей электромеханической обработки
резьбы 90
Определение оптимального усилия в зоне
контакта и математическая модель теплового
источника при отделочно-упрочняющей
электромеханической обработке резьбы 92
Выводы по второй главе 101
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЭЛЕКТРО-
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ.
ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 103
Установки электромеханической обработки резьбы.
Приспособления и оснастка 103
Образцы для исследований и инструмент 122
Методы и средства измерения 124
Методика экспериментальных исследований 125
Выводы по третьей главе 129
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ 130
Влияние отделочно-упрочняющей электромеханической обработки на структуру поверхностного
слоя витков метрической резьбы 130
Результаты статических испытаний на срез резьбы и
прочность стержня 144
Износостойкость и характер изменения точностных
показателей резьбы 149
Влияние отделочно-упрочняющей электромеханической обработки на предел выносливости
резьбовых соединений 161
4.4.1. Анализ способов повышения усталостной прочности
резьбовых соединений 161
Повышение усталостной прочности нарезанной резьбы после отделочно-упрочняющей электромеханической обработки 167
Сравнительный анализ усталостной прочности резьбы накатанной с резьбой нарезанной и подвергнутой отделочно-упрочняющей электромеханической обработке 174
Повышение усталостной прочности болтов крепления крышки шатуна двигателя «КамАЗ-740» отделочно-упрочняющей электромеханической обработкой резьбы 181
Влияние технологии изготовления и формы впадины наружной резьбы на усталостную прочность резьбовых соединений 190
4.5. Выводы по четвертой главе 198
5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОТДЕЛОЧНО-
УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И
ОБРУДОВАНИЯ 200
Общие принципы отделочно-упрочняющей электромеханической обработки резьбы 200
Технология отделочно-упрочняющей электромеханической обработки резьбы 202
Разработка технологии отделочно-упрочняющей электромеханической обработки наружной метрической резьбы 202
Разработка технологии отделочно-упрочняющей электромеханической обработки внутренней
метрической резьбы 209
5.2.3 Разработка технологии отделочно-упрочняющей
электромеханической обработки наружной метрической
резьбы разделенной шпоночным пазом 211
Разработка технологии отделочно - упрочняющей электромеханической обработки трапецеидальной
резьбы 212
Разработка технологии отделочно-упрочняющей электромеханической обработки специальной резьбы ... 215 Практические рекомендации по применению технологии отделочно-упрочняющей электромеханической обработки резьбы деталей в условиях
АПК России 216
Выводы по пятой главе 217
РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ СПОСОБОВ
ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЭЛЕКТРО-
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗЬБЫ
ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ
ТЕХНИКИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 220
Повышение долговечности резьбы штуцера нажимного топливного насоса высокого давления .... 220 Обработка резьбы ведущего вала коробки перемены передач энергонасыщенных тракторов семейства
«Кировец» 223
Отделочно-упрочняющая электромеханическая
обработка резьбы шпильки крепления обода колеса
автомобилей КамАЗ 227
Технология отделочно-упрочняющей электромеханической обработки резьбы стремянок автомобиля
ГАЗ-53А 228
Отделочно-упрочняющая электромеханическая
обработка резьбы насосио-компрессорных труб 230
6.6. Эффективность применения отделочно-упрочняющей
электромеханической обработки резьбы деталей
сельскохозяйственной техники 241
Штуцер нажимной топливного насоса высокого давления 245
Стремянка передней рессоры автомобиля ГАЗ-53А 246
Эффективность применения технологии отделочно-упрочняющей электромеханической обработки резьбы деталей 248
6.7. Выводы по шестой главе 249
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 250
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ .... 254
ПРИЛОЖЕНИЯ 275
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной задачей современного сельскохозяйственного машиностроения является разработка новых технологий металлообработки, постановка на производство высокопроизводительной техники и создание на этой основе конкурентоспособной продукции. Успешному решению этой проблемы способствуют исследования, связанные с разработкой технологических процессов, позволяющих на стадии изготовления деталей целенаправленно формировать поверхностные слои с заранее заданными свойствами. Этого можно достигнуть, если на всех этапах производства машин: проектировании, конструировании, изготовлении и эксплуатации будут использоваться современные расчетные, технологические и эксплуатационные методы.
Предприятия АПК России располагают сложными, разнообразными, дорогостоящими машинами и оборудованием отечественного и зарубежного производства, экономическая эффективность использования которых требует максимальной их загрузки. В конструкциях автомобилей, тракторов, комбайнов, сельскохозяйственной техники и технологического оборудования широкое применение получили резьбовые соединения. При эксплуатации машин долговечность деталей с резьбой не удовлетворяет возросшим требованиям надежности. Низкое качество резьбы деталей, изготовленных в условиях промышленного производства, отсутствие эффективных способов отдел очно-упрочняющей обработки резьбы в ремонтно-механических службах предприятий приводит к тому, что при эксплуатации увеличиваются затраты на ремонт и техническое обслуживание техники. В условиях сельскохозяйственного производства изготовление деталей с резьбой сводится, в лучшем случае, только к воспроизведению геометрических параметров резьбы, тогда как точность, физико-механические свойства, микрогеометрия поверхности и текстура волокон металла резьбы деталей требуют дополнительной обработ-
10 ки. Для поддержания техники в технически исправном состоянии, качественного выполнения ремонта и технического обслуживания инженерные службы сельскохозяйственных предприятий должны использовать эффективные способы обработки, позволяющие получать рабочие поверхности деталей машин необходимого качества. Целесообразность проведения научно-исследовательских и экспериментальных работ в данном направлении обусловлена высокой стоимостью запасных частей, снижением качества их производства и, как следствие, увеличением количества ремонтных воздействий. В зависимости от назначения резьбового соединения, схемы нагружения и других условий его эксплуатации, а также производственных факторов резьбовые поверхности формируют накатыванием или нарезанием. Не отрицая возможностей указанных методов формообразования резьбы, следует отметить и их существенные недостатки. Так, накатывание резьбы на заготовках из материалов с твердостью более HRC36 и из хрупких материалов (например, чугун) невозможно, крайне затруднительно накатывание резьбы на тонкостенных и маложестких деталях, а также накатывание резьб прямоугольного и несимметричного профиля. Не удается повысить износостойкость и усталостную прочность накатанных резьб, а использование для этого известных способов термической или химико-термической обработки приводит к снижению свойств накатанной резьбы до уровня нарезанной. Накатывание экономично лишь в условиях крупносерийного или массового производства.
В настоящей работе решается научно-техническая проблема технологического обеспечения эксплуатационных свойств резьбовых соединений отде-лочно - упрочняющей электромеханической обработкой (ОУЭМО), гарантирующей оптимальные эксплуатационные показатели, высокую надежность и ресурсосбережение.
Целью работы является повышение эксплуатационных свойств резьбовых соединений сельскохозяйственной техники отделочно-упрочняющей электромеханической обработкой путем научного обоснования, разработки и
11 совершенствования технологий, основанных на совмещении поверхностного пластического деформирования и закалки в единой операции.
Объект исследований. Технологические процессы отделочно - упрочняющей электромеханической обработки резьбы.
На защиту выносятся следующие научные положения:
теоретические положения для обеспечения высоких эксплуатационных свойств резьбовых поверхностей, формирования благоприятного расположения волокон металла вдоль опасного сечения впадины резьбы отделочно -упрочняющей электромеханической обработкой;
закономерности формирования геометрии и физико-механических свойств резьбовых поверхностей с учетом условий эксплуатации и схемы нагруже-ния;
способы и технологии ОУЭМО резьбовых поверхностей, рекомендации по их реализации в условиях сельскохозяйственных, транспортных и промышленных предприятий.
Методы исследований. Теоретические исследования базировались на известных законах в области прочности, термоупругости, пластичности, ползучести и усталостной прочности с использованием основных положений материаловедения и обработки металлов давлением. Экспериментальные исследования и производственные испытания разработанных технических средств выполнены с использованием общих и частных методик и приборов отечественного и зарубежного производства с последующей обработкой при помощи ЭВМ.
Научная новизна:
- теоретически обоснованы граничные условия отделочно-упрочняющей элек
тромеханической обработки, позволяющие получать резьбу закаленную по
верхностно при сохранении вязкой структуры сердцевины витков, с благо
приятной микрогеометрией и текстурой волокон металла основания резьбы,
без окисления и обезуглероживания поверхностного слоя;
- разработана математическая модель теплового источника при ОУЭМО
резьбы для расчета величины теплофизических характеристик материала ин
струмента с учетом удельной мощности источника переменного тока;
- установлены закономерности влияния технологических параметров
ОУЭМО резьбы на структуру, фазовый состав, точность, механические и
эксплуатационные свойства резьбовых соединений;
- разработаны аналитические принципы проектирования технологических
процессов ОУЭМО резьбы деталей исходя из схемы нагружения, характер
ных дефектов и условий эксплуатации резьбовых соединений.
Практическая значимость работы. Полученные результаты исследований служат основой для рационального выбора способов и схем обработки резьбы деталей машин ОУЭМО, исходя из геометрии, физико-механических свойств и условий эксплуатации. Результаты эксплуатационных испытаний обработанных деталей подтвердили достоверность теоретических предпосылок и данных лабораторных исследований, что позволяет рекомендовать указанные технологические процессы для широкой номенклатуры деталей с резьбой тракторов, автомобилей, различной сельскохозяйственной техники и специального оборудования (а.с. 1707854, 1731564, патенты 2199421, 2199422, 2239524, 2243080, 1801075, 2231428, 2240908, 2243070, 2243874, 2252113,2254967,2265065).
Технология ОУЭМО позволяет:
производить отделочно-упрочняющую электромеханическую обработку (ОУЭМО) с формированием геометрии, физико-механических свойств и шероховатости резьбовых поверхностей с учетом технических требований;
выполнять электромеханическую закалку (ЭМЗ) резьбовых поверхностей с формированием прочного и износостойкого поверхностного слоя при сохранении вязкой сердцевины витков резьбы.
Предложенные в диссертации технические решения, способы, технологии и соответствующая оснастка защищены 15 патентами РФ на изобретения.
Предметом исследований являются новые способы отделочно - упрочняющей электромеханической обработки резьбы, основанные на одновременном силовом и термическом воздействии инструмента, способствующие получению необходимой точности, шероховатости, физико-механических и эксплуатационных свойств резьбовых поверхностей деталей сельскохозяйственной техники.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами производственных испытаний разработанных технологических процессов, оборудования, оснастки, инструмента и их эффективным использованием на предприятиях агропромышленного комплекса.
Реализация результатов исследований. Технологические процессы с комплектами оборудования, инструмента и оснастки для упрочнения резьбовых поверхностей внедрены на предприятиях Ульяновской, Пермской областей и республики Татарстан.
Технологические рекомендации через Межотраслевой центр научно-технической информации (1987...2000 г.г.), акционерное общество "Ярмарка Большая Волга", выставочный центр "Пермская ярмарка", научно-промышленный форум "Россия единая" в г. Нижний Новгород, 6-й и 7-й Международные практические конференции-выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» в г.Санкт-Петербург (2004 -2005г.г.), 7-ю Российскую агропромышленную выставку «Золотая осень» в г. Москва (ВВЦ) 2005 г., переданы и внедрены на сельскохозяйственных, транспортных, перерабатывающих, строительных, ремонтных и обслуживающих предприятиях Российской Федерации.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс инженерного факультета ФГОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия (УГСХА) при изучении дисциплин «Надежность и ремонт
14 машин», «Метрология, стандартизация и сертификация», машиностроительного факультета Ульяновского государственного технического университета (УлГТУ) при изучении дисциплин «Технологические методы обеспечения надежности и долговечности деталей», «Специальные способы обработки металлов давлением», «Нагрев и нагревательные устройства», «Материаловедение», факультета технического сервиса в АПК ФГОУ ВПО МГАУ при изучении дисциплины «Материаловедение».
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались и получили положительную оценку на научных конференциях профессорско-преподавательского состава УСХИ, г. Ульяновск, 1991...1995 г.г., УлГТУ, г. Ульяновск 1997...2005 г; на Всесоюзном семинаре «Работы в области восстановления и упрочнения деталей», РДНТП, М.: 1991 г.; на второй Международной конференции «Новые технологии в машиностроении», Харьков - Рыбачье, 1993 г.; на республиканской научно-технической конференции «Применение прогрессивных технологий, композиционных материалов и покрытий с целью повышения долговечности сборочных единиц при изготовлении и ремонте машин», Саранск, 1994 г.; на научно-технической конференции «Состояние перспективы восстановления и упрочнения деталей машин», НПО «Ремдеталь», М.: 1994 г.; на Международной научно-технической конференции «Технология отделочно-упрочняющей обработки в машиностроении», Минск, 1994 г.; на Международной научно-технической конференции «Проблемы повышения качества машин», Брянск, 1994 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении», Иркутск, 1996 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии листовой и объемной штамповки», Ульяновск, 1997 г.; на 4 собрании металловедов России, Пенза, 1998 г.; на научно-технической конференции «Энергосбережение в промышленно-хозяйственном комплексе», Пенза, 2000 г.; на научно-технической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2001г.; на на-
15 учно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах», Оренбург, 2002 г.; на II международной НТК «Современные научно-технические проблемы транспорта России», Ульяновск, 2002 г; на 6-й и 7-й Международных практических конференциях-выставках «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», Санкт-Петербург (2004 и 2005 г.г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию университета «Актуальные проблемы агроинженерной науки» в МГАУ им. В.П.Горячкина, Москва, 2005 г., на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» ГОСНИТИ, Москва, 2005 г., на IV Международной научно-практической конференции «Автомобиль и техносфера», Казань, 2005 г.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 70 научных работ, в том числе 7 работ в изданиях, поименованных в списке ВАК Минобразования и науки РФ, в монографии, 3 учебных пособиях, 15 патентах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 350 страниц, из которых на 274 изложен текст работы, содержит 21 таблицу, 105 иллюстраций, 15 приложений. Библиографический список включает 247 наименований, в том числе 19 - на иностранных языках.
