Повышение эффективности накатывания резьб

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Повышение эффективности накатывания резьб

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Значительная часть деталей, используемых в машино- и приборостроении, нефтегазовой промышленности, аэрокосмической и специальной технике, производстве товаров народного потребления, строительстве и других отраслях народного хозяйства содержит резьбы. Эксплуатационные характеристики данных деталей в существенной степени определяются качеством изготовления резьб. Существующие методы обработки резьб отличаются большим разнообразием. Большой вклад в разработку теории и практики обработки резьб внесли научные школы г. Москвы, Санкт-Петербурга, Брянска, Тулы, Челябинска. Из отечественной и мировой практики известно, что наиболее современным и перспективным способом получения резьб и профилей является высокопроизводительная обработка пластическим деформированием - накатывание. В работах А. Кепхарта, А.В. Киричека, И.В. Кудрявцева, В.В. Лапина, Э.П. Лугового, В.М. Меньшакова, Ю.А. Миропольского, Г.П. Мосталыгина, М.И. Писаревского, Ю.Г. Проскурякова, Э.В. Рыжова, Т.А. Султанова, А.И. Якушева, и многих других исследователей установлено, что накатанные резьбы имеют более высокую статическую и усталостную прочность. Однако, область применения этого прогрессивного метода в настоящее время ограничена.

Резьбонакатывание не нашло широкого применения в отечественной промышленности для изготовления как ходовых, так и крепежных резьб на ответственных тяжелонагруженных деталях, таких как ответственные болтовые соединения транспортной и строительной техники, ответственные соединения труб нефтяного сортамента и строительной арматуры. Одной из основных причин этого является то, что степень и глубина упрочнения, получаемые при накатывании резьб, часто являются недостаточными для ответственных тяжелонагруженных деталей. Повышение степени упрочнения может быть достигнуто путем применения труднообрабатываемых или предварительно упрочненных материалов. Однако, накатывание резьб на заготовках из подобных материалов практически не используется в отечественной промышленности вследствие малой стойкости инструмента и опасности разрушения витков накатываемой резьбы из-за исчерпания запаса пластичности. Накатывание не нашло широкого применения также для получения резьб со сложной криволинейной формой профиля (круглых, арочных, с замковым профилем и т.п.), крупных трапецеидальных и конических резьб. Одной из основных причин данных ограничений является отсутствие рекомендаций по выбору рациональных схем деформирования при формировании профиля резьбы. Выбор нерациональной схемы приводит к значительной неравномерности нагружения и повышенному износу резьбонакатного инструмента, возникновению значительных напряжений и накопленных деформаций, приводящих к разрушению накатываемой на заготовке резьбы.

Дальнейшее совершенствование технологии накатывания резьб и расширение области его применения сдерживается недостаточной изученностью процесса резьбонакатывания. Существующие рекомендации основаны в основном на эмпирических данных. В работах В.Г. Дейнеко, В.М. Меньшакова, М.И. Писаревского, Т.А. Султанова исследована кинематика процессов резьбонакатывания и точность накатывания резьбы. В трудах А.А. Грудова, П.Н. Комарова, А.В. Киричека, М.И. Писаревского, С. Чоудхари и В.Г. Якухина исследовалась площадь пятна контакта инструмента и заготовки при накатывании резьб. В трудах А.Ф. Кузьменко, Э.П. Лугового, Н.В. Соколова, Т.А. Султанова, К. Херольда проведена оценка контактных напряжений при накатывании резьб с использованием метода линий скольжения. Д. Домблески, Д. Мартин и Т. Савада моделировали накатывание резьбы методом конечных элементов. Однако, исследования носили фрагментарный характер и не привели к получению зависимостей, выявляющих характер влияния технологических параметров накатывания на напряженно-деформированное состояние инструмента и заготовки. Практически не исследовались скорости взаимного проскальзывания инструмента и заготовки, не изучено влияние погрешности резьбонакатного инструмента на накатывание резьбы.

Расширение области применения резьбонакатывания в первую очередь требует исследования силовых факторов процесса. Известно, что силы накатывания определяются мгновенной площадью пятна контакта и величиной контактных давлений. Контактные давления, в свою очередь, зависят от механических свойств материала заготовки и схемы деформирования. Несмотря на большое количество работ, посвященных классификации способов накатывания резьб, схемам деформирования при резьбонакатывании не уделялось достаточного внимания. Практика в данной области опередила теорию, в промышленности применяется несколько различных схем деформирования при накатывании резьбы.

Выбор рациональной схемы деформирования для накатывания конкретного профиля резьбы представляет собой достаточно сложную задачу. Локальная пластическая деформация при накатывании резьб и профилей носит сложный, объемный характер. Технологические процессы накатывания резьб и профилей невозможно в полной мере отнести ни к объемному, ни к поверхностному пластическому деформированию (ППД), так как хотя пластической деформации подвергается лишь поверхностный слой деформируемого тела, однако при этом имеет место существенное изменение его формы путем образования на поверхности периодически повторяющихся или единичных выступов и впадин. В связи с этим, процессы поверхностного пластического формоизменения занимают промежуточное положение между ППД и объемной обработкой давлением (поперечно-винтовой или поперечно-клиновой прокаткой, валковой штамповкой и т.п.).

Из существующих теоретических методов для исследования пластической деформации широко применяется теория пластичности. В связи со сложным, объемным характером пластической деформации при поверхностном пластическом формоизменении точное решение уравнений теории пластичности затруднительно. Наиболее перспективно моделирование полей напряжений и деформаций численными методами, в частности методом конечных элементов (МКЭ).

Значительная глубина упрочнения может быть достигнута статико-импульсной обработкой (СИО), предложенной А.В. Киричеком, А.Г. Лазуткиным и Д.Л. Соловьевым. СИО осуществляется в условиях сочетания периодического динамического и постоянного статического воз действия деформирующего инструмента на обрабатываемую поверхность. Динамическое (ударное) воздействие позволяет создавать большие напряжения в пятне контакта инструмента и заготовки при сравнительно небольшой затраченной мощности, а статический поджим способствует более эффективной передаче ударного импульса в очаг деформации. обрабатываемую поверхность. Важной особенностью СИО является возможность формирования гетерогенно упрочненного поверхностного слоя. Чередование более твердых участков с более вязкими способствует торможению микротрещин и повышению усталостной прочности материала. Надежные теоретические методики выбора режимов СИО резьб и профилей отсутствуют.

Цель работы: повышение эффективности и расширение области применения резьбонакатывания для получения ответственных тяжелонагруженных резьб на заготовках из труднообрабатываемых материалов, резьб с криволинейным профилем и крупным шагом, крупных конических резьб конструкторско-технологическими методами, основанными на стабилизации мгновенной площади пятна контакта, анализе напряженно-деформированного состояния сопряженных областей инструмента и заготовки, выборе рациональных схем деформирования.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. создание комплекса моделей процессов поверхностного пластического формообразования;

2. проверка адекватности теоретических моделей натурным экспериментом;

3. оценка связи износа инструмента с мгновенной площадью пятна контакта инструмента и заготовки;

4. установление закономерностей влияния геометрии инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий на форму и размеры пятна контакта;

5. выявление характера влияния на форму и размеры пятна контакта погрешности изготовления резьбонакатного инструмента;

6. определение рациональных схем деформирования;

7. установление закономерностей влияния геометрии инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий на поля напряжений и деформаций при накатывании резьб со статическим нагружением инструмента;

8. выявление характера связей между полями напряжений и деформаций и технологическими параметрами процесса СИО при накатывании резьб со статико-импульсным нагружением инструмента;

9. разработка рекомендаций по совершенствованию инструмента и технологий статического и статико-импульсного накатывания резьб и профилей;

10. разработка САПР резьбонакатного инструмента.

Научная новизна работы.

Разработаны теоретические положения проектирования инструмента для накатывания ответственных тяжелонагруженных резьб на заготовках из труднообрабатываемых материалов, резьб с криволинейным профилем и крупным шагом, крупных конических резьб, позволившие повысить его стойкость в 2…3 раза.

Установлено, что износ резьбонакатного инструмента пропорционален мгновенной площади пятна контакта инструмента и заготовки (МПК). Разработан комплекс математических моделей, позволяющих выявить характер влияния на МПК при накатывании наружных и внутренних резьб произвольной формы геометрических параметров инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий и погрешности изготовления резьбонакатного инструмента. Выявлен характер влияния на скорость взаимного проскальзывания инструмента и заготовки технологических параметров процесса резьбонакатывания.

Разработан комплекс математических моделей, позволяющих установить характер связей между полями напряжений и деформаций и конструкторско-технологическими параметрами процесса накатывания резьб со статическим и статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.

Практическая ценность работы

Созданы новые способы резьбонакатывания, позволяющие получать резьбы со сложным профилем, резьбы крупного шага, повысить степень и глубину упрочнения при накатывании резьб;

Разработаны системы автоматизированного проектирования инструмента повышенной стойкости для накатывания наружных и внутренних резьб с осевой подачей;

Разработаны рекомендации по проектированию рациональной технологии формообразования и упрочнения резьб со статическим и статико-импульсным нагружением инструмента, обеспечивающие возможность накатывания тяжелонагруженных резьб, в том числе на заготовках из труднообрабатываемых или предварительно упрочненных материалов.

Результаты исследований защищены 38 патентами РФ на изобретение и свидетельством на регистрацию программы для ЭВМ.

Результаты работы апробированы и внедрены на предприятиях машиностроительного комплекса Москвы, Набережных Челнов, Орла, Мурома и ряда других городов Российской Федерации. Отдельные научные результаты используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета.

Связь с научно-техническими программами: работа над диссертацией выполнялась в соответствии с тематикой ряда госбюджетных научно-исследовательских работ и грантов, в том числе:

Грант Президента РФ МК-2575.2005.8 «Совершенствование технологии накатывания резьб и конструкции резьбонакатного инструмента», 2005-2006 г.

Грант Минобразования РФ ТОО-6.6-303 «Инструмент, оснастка и технология формирования резьбы на упрочненных и трудно обрабатываемых материалах пластическим деформированием», 2001-2002 г.

Грант РФФИ 03-01-96481 «Исследование закономерностей формирования и влияния волны деформации на свойства нагружаемого материала», 2004-2005 г.

Тема №247/00 «Разработка информационного обеспечения конструкторско-технологической подготовки деформационного упрочнения ходовых винтов силовых несоосных винтовых механизмов» в рамках НТП «Качество и безопасность технологий, продукции, образовательных услуг и объектов», 2000 г.;

Тема 210.01.01.011 «Разработка информационного каталога технологических методов обеспечения качества и продления жизненного цикла машиностроительных изделий» в рамках НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2003-2004 г.

Тема №227/00 «Разработка технологической оснастки и рекомендаций по использованию СИО для упрочнения тяжелонагруженных транспортных деталей» в рамках НТП «Научные исследования высшей школы в области транспорта. Наземные транспортные средства», 2000 г.

ЕЗН 1.3.08 «Решение сопряженной задачи контактного взаимодействия упругого вращающегося индентора с упругопластическим телом произвольной кривизны», 2008-2010 г.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на международных научных симпозиумах: «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа», Москва, МГТУ «МАМИ», 1999 г.; «Гидродинамическая теория смазки - 120 лет», Орел, ОрелГТУ, 2006; Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technologies, Харбин (Китай), Harbin Institute of Technology, 2010; «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», Орел, ОрелГТУ, 2010; на международных научно-технических конференциях: «Теория и практика зубчатых передач», Ижевск, ИжГТУ, 1998 г.; «Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач», Тула, ТулГУ, 2000 г.; «Инструментальные системы машиностроительных производств», Тула: ТулГУ, 2008 г.; «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла», Брянск, БГТУ, 2001, 2005 и 2008 г.; «Высокие технологии в машиностроении», Самара, СамГТУ, 2004; «Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», Санкт-Петербург, СПбГПТУ, 2005 г.; «Современные проблемы машиностроения», Томск, ТПУ, 2008 г.; «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации», Курск, КГТУ, 2005 г.; «Компьютерная интеграция производства и ИПИ технологии», Оренбург, ОГУ, 2007 г.; «Производство и ремонт машин», Ставрополь, СтГАУ, 2005 г.; «Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологда, ВоГТУ, 2005 г.; «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», Орел, ОрелГТУ, 2002-2010 г.; «Инженерные системы», Москва, МФТИ, РУДН, 2007-2010 г.; «Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении», Воронеж. ВГТУ, 2010; «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2007 и 2009 г.; «Инженерия поверхностей и реновация изделий», Харьков (Украина), ХПИ, 2006; «Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении», Краматорск (Украина), ДонГМА, 2008; на всероссийских научно-технических конференциях: «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении», Владимир, ВлГУ, 1998 г.; «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений», Рыбинск, РГАТА, 2009 г.; Научной конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», Н. Новгород, НГТУ, 1999 г.; Всероссийских научно-практических конференциях «Современные проблемы в технологии машиностроения», Новосибирск, НГТУ, 2009 г.; «Современные технологии в машиностроении», Пенза, ПДЗ, 1999-2001 г.; «Современные технологии в машиностроении», Набережные Челны, КамПИ, 2004 г. XXXIV Академических чтениях по космонавтике, Москва, МГТУ им. Баумана, 2010 г. Молодежных научно-технических конференциях «Гагаринские чтения», Москва, МАТИ - РГТУ, 1998 и 2000 г., на ежегодных научных конференциях преподавателей и сотрудников Орловского государственного технического университета в 2004-2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 142 печатные работы, в том числе 2 монографии, 24 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных исследований на соискание ученой степени доктора технических наук, 36 патентов РФ на изобретение и свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов работы; выполнена на 396 станицах и содержит 112 рисунков, 20 таблиц, список использованной литературы из 251 наименования, приложений.

Основное содержание работы

пластический формообразование заготовка резьба

Во введении обосновывается актуальность работы.

В первой главе приведена классификация существующих видов резьб, требования, предъявляемые к тяжелонагруженным резьбовым деталям, проведен анализ существующих технологических процессов их изготовления, сформулированы цель и задачи работы. Дана классификация существующих способов накатывания резьб, обоснована возможность разработки новых способов резьбонакатывания, обладающих более широкими технологическими возможностями.

Расширение области применения резьбонакатывания в первую очередь требует исследования силовых факторов процесса. Силы накатывания определяются мгновенной площадью пятна контакта и величиной контактных давлений. Контактные давления, в свою очередь, зависят от механических свойств материала заготовки и схемы деформирования. Несмотря на большое количество работ, посвященных классификации способов накатывания резьб схемам деформирования при резьбонакатывании не уделялось достаточного внимания. В связи с этим практика в данной области опередила теорию.

Применяемые в промышленности технологии и конструкции инструментов для накатывания резьбы реализуют различные схемы деформирования, классификация которых приведена на рис. 1.

Полнопрофильная

Послойная

Профильная притупленная

Профильная заостренная

Угловая

Возвратная

Рис. 1. Схемы деформирования при накатывании резьб в осевом сечении

Полнопрофильная схема деформирования реализуется путем постепенного внедрения в заготовку в радиальном направлении витков резьбы инструмента, имеющих форму окончательно сформированной впадины резьбы заготовки. Послойная схема реализуется путем внедрения в заготовку притупленных витков резьбы инструмента, вытесняющих металл заготовки из впадины слой за слоем. Полнопрофильная и послойная схемы являются частными случаями профильной схемы деформирования, при которой витки инструмента геометрически подобны виткам накатываемой резьбы, но отличаются от них размерами. Другими частными случаями профильной схемы являются притупленная и заостренная схемы деформирования. При угловой схеме профиль впадины резьбы на заготовке формируется путем постепенного уменьшения ее угла (радиуса для круглых резьб). Возвратная схема предполагает вначале накатывание резьбы, с профилем несколько более глубоким, чем окончательный профиль резьбы, но с меньшей шириной впадины. На окончательных циклах деформации металл закатывается от боковых сторон профиля во впадину.

В качестве основных направлений совершенствования схем деформирования предложено определить рациональный закон изменения радиальных обжатий, задаваемый конструкцией резьбонакатного инструмента или его подачей на заготовку, а так же накатывание резьб по предварительно прорезанным канавкам различной формы. Указано на существенность влияния на процесс резьбонакатывания погрешности изготовления инструмента.

Так как локальная пластическая деформация при накатывании резьб и профилей носит сложный, объемный характер, выбор рациональной схемы деформирования представляет собой весьма сложную задачу. Определение напряжений и деформаций требует поиска решения системы уравнений равновесия

(1)

с условием пластичности Губера - Мизеса

,

где _x, _y, _z и _xy, _yx, _yz - компоненты тензора напряжений;

_s - напряжение текучести.

Решение данной системы уравнений должно удовлетворять статическим:

; ;

;

и кинематическим граничным условиям, где:

a_x, a_y, a_z - направляющие косинусы нормали к элементу поверхности тела; S_x, S_y, S_z - компоненты вектора напряжения S, приложенные к элементу поверхности деформируемой заготовки; (n, u₀) и (n, u_j) - углы между внутренней нормалью n к контактной поверхности тела F_k и скоростями перемещений инструмента u₀ и деформируемого материала u_j.

Точное аналитическое решение подобной системы уравнений затруднительно. Анализ методов математического моделирования полей напряжений и деформаций при пластическом деформировании позволил сделать вывод о перспективности применения для исследования процесса накатывания резьб метода конечных элементов (МКЭ), позволяющего решать геометрически сложные трехмерные задачи с одновременным моделированием полей напряжений в инструменте и заготовке с учетом особенностей их контактного взаимодействия.

Повышения глубины упрочненного слоя при накатывании тяжелонагруженных резьб предложено добиться применением СИО.

Во второй главе приведена общая схема комплекса математических моделей поверхностного пластического формообразования (рис. 2), необходимых для решения поставленных задач; выбрано оборудование для проведения экспериментальных исследований, обеспечивающее требуемую точность измерений; методики проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных.

Рис. 2. Комплекс моделей поверхностного пластического формообразования

На первом этапе исследований разрабатывается геометрическая модель процесса накатывания резьбы, позволяющая выявить характер влияния на форму и размеры пятна контакта инструмента и заготовки, геометрии инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий. На втором этапе на основе геометрической модели создается конечноэлементная модель процесса поверхностного пластического формоизменения, позволяющая исследовать поля напряжений в инструменте и заготовке, выявить рациональную схему деформирования.

Проведен анализ математического аппарата, применяемого для расчета методом конечных элементов значительной локальной пластической деформации. Анализ современных программных продуктов (ANSYS, MSC.NASTRAN, ABAQUS, LS-DYNA, QForm, FORGE, DEFORM, ШТАМП и др.) на целесообразность их применения для исследования локальной пластической деформации при накатывании резьб показал перспективность системы DEFORM, являющейся одним из мировых лидеров в области моделирования технологических процессов обработки металлов давлением и резанием.

При проведении исследований использовались современные измерительные приборы и оборудование. Для измерения микротвердости поверхностного слоя использовался автоматизированный измерительный комплекс на основе микроскопа Zeiss. Испытания объемной усталостной прочности резьбовых профилей производились на испытательной машине МУИ-6000, контактной выносливости - с помощью специального приспособления.

Для моделирования СИО резьб использовался полноразмерный экспериментальный стенд, позволяющий исследовать процессы, происходящие в ударной системе с промежуточным звеном и в очаге деформации. Параметры ударной системы стенда соответствовали характеристикам реального гидравлического генератора механических импульсов (ГГМИ). Для моделирования накатывания резьб со статическим нагружением инструмента использовался автоматизированный измерительный комплекс на основе экспериментальной тензометрической резьбонакатной головки. Для обработки результатов измерения на ПЭВМ использовались АЦП компании National Instruments и пакет программ LabView. Обработка результатов экспериментов производилась на ПЭВМ в пакете Statistica 6.0.

В третьей главе произведено исследование кинематики процесса накатывания резьб и геометрии пятна контакта инструмента и заготовки при резьбонакатывании.

При накатывании резьбы неизбежно возникает проскальзывание витков инструмента и заготовки относительно друг друга. Причиной проскальзывания является разность касательных скоростей витков ролика и заготовки. Определены поля скоростей взаимного проскальзывания в пятне контакта для различных соотношений диаметров инструмента и заготовки при накатывании цилиндрических резьб. Установлено, что величина проскальзывания вершины инструмента при накатывании метрических резьб достигает 8%, а при накатывании трапецеидальных 16%.

Особенно значительно проскальзывание при накатывании конических резьб. Величина максимального проскальзывания по среднему диаметру при накатывании конической резьбы (рис. 3) определится:

, (2)

где ; ; ;

;

d₂ - средний диаметр накатываемой резьбы по среднему сечению, мм; B - ширина ролика, мм; ц - угол конуса резьбы; n_р и n_д - частота вращения ролика и заготовки соответственно, мин^-1.



Рис. 3. Зависимость проскальзывания при накатывании конической резьбы диаметром d₂ = 30 мм от угла конуса и диаметра ролика

Превышение полученных Ф.В. Картером и Д.П. Марковым критических значений величины проскальзывания (для сталей 1…3,5%) сопровождается повышенным износом инструмента. В связи с этим, при накатывании конических резьб скорость накатывания должна быть ниже на 20…40%, чем при накатывании цилиндрических. Для повышения стойкости роликов при накатывании конических резьб необходимо выбирать инструмент по возможности большего диаметра, насколько это позволяет конструкция применяемого оборудования и технологической оснастки. Предложен способ накатывания конических резьб роликами со скрещивающимися осями, обеспечивающий снижение проскальзывания. Установлено, что влияние скорости проскальзывания целесообразно учитывать при накатывании цилиндрических резьб с отношением высоты профиля к диаметру более 0,1 и конических резьб с углом конуса более 2 градусов.

Одной из важнейших задач при проектировании технологических процессов накатывания резьб является определение диаметра заготовки под накатывание резьбы. Диаметр заготовки оказывает влияние не только на точность и качество поверхности накатанной резьбы, но и на стойкость резьбонакатного инструмента. Аналитические формулы для определения диаметра заготовок, основанные на геометрических построениях и методах интегрального исчисления, возможно получить лишь для простейших случаев (резьб с прямолинейным профилем). Выбор диаметра заготовок при накатывании реальных резьб с криволинейным профилем приходится производить экспериментальным путем, с помощью пробных накатываний, что приводит к значительным затратам времени и средств.

Так как задача определения диаметра заготовки под накатывание резьбы сводится к задаче по определению объема металла, выдавливаемого из впадин резьбы заготовки в выступы, разработана методика определения диаметра заготовок при накатывании резьб с криволинейным профилем, в том числе по предварительно прорезанной винтовой канавке, с помощью компьютерного 3D моделирования. По данной методике определена потребная глубина дополнительного внедрения инструмента в заготовку при накатывании резьб с возвратной схемой деформирования трапецеидальных (рис. 4) и круглых резьб.



Рис. 4. Зависимость глубины дополнительного внедрения инструмента в заготовку от угла профиля внедряющихся витков при накатывании резьбы Тр28 ГОСТ 24737

Установлено, что для исключения ослабления трапецеидальных резьб при накатывании с возвратной схемой деформирования угол профиля витков, осуществляющих дополнительное внедрение, не должен превышать угол профиля накатываемой резьбы более чем на 10. При накатывании с возвратной схемой деформирования круглых резьб радиус при вершине витков, осуществляющих дополнительное внедрение, не должен быть меньше радиуса впадины накатываемой резьбы более чем на 30%. Максимально допустимый угол профиля деформирующего витка при накатывании резьб с угловой схемой деформирования определяется:

, (3)

где h_i - глубина внедрения инструмента в заготовку (накопленное радиальное обжатие); P - шаг резьбы; - угол профиля накатываемой резьбы; ₁ - угол профиля деформирующего витка; b₁ - ширина ленточки на вершине деформирующего витка; a - разность между средним диаметром накатываемой резьбы d₂ и диаметром заготовки d_заг; K_h - коэффициент высоты выдавленного профиля, равный отношению общей высоты выдавленного профиля к глубине внедрения инструмента. Для накатывания наружных резьб K_h можно принять равным 0,7.

В результате анализа износа инструмента в производственных условиях (рис. 5) установлено, что для каждой схемы деформирования износ прямо пропорционален мгновенной площади пятна контакта инструмента и заготовки (МПК).

Рис. 5. Износ витков заборной части роликов для накатывания резьбы Тр18х4 с осевой подачей

Разработана методика определения МПК для случая накатывания треугольных внутренних резьб, основанная на расчете МПК через площадь ее проекции на основание конуса, образующего половину витка деформирующего инструмента

Для резьб со сложным нелинейным профилем более целесообразным является использование для определения МПК возможностей современных 3D CAD систем. Данное моделирование производится путем создания параметрической 3D модели накатывания резьбы, состоящей из одного пространственного тела, представляющего собой результат булевой операции вычитания из 3D модели заготовки с накатываемой резьбой 3D модели резьбонакатного инструмента (например ролика). В результате выполнения булевой операции вычитания на 3D модели заготовки формируются отпечатки, площади которых равны МПК витков инструмента и заготовки при накатывании резьбы.

Графики зависимости МПК от текущего и накопленного радиального обжатия приведены на рис. 6. Установлено, что наибольшее влияние на МПК оказывает шаг накатываемой резьбы, текущее и накопленное радиальное обжатие. Установлено, что при накатывании конической резьбы угол конуса влияния на величину МПК практически не оказывает.

Рис. 6. Зависимость мгновенной площади пятна контакта инструмента и заготовки от глубины предварительно сформированного резьбового профиля h_i-1 и текущего радиального обжатия dh_i при накатывании наружной резьбы М27ґ2

Установлено, что погрешность изготовления резьбонакатного инструмента оказывает существенное влияние на процесс накатывания резьб и должна учитываться при проектировании данного инструмента и технологии резьбонакатывания. Произведена оценка их влияния на равномерность нагружения резьбонакатного инструмента. Зависимость величины допусков на диаметры витков заборной части резьбонакатных роликов от допустимой неравномерности их нагружения приведена на рис. 7. Видно, что при увеличении допустимой неравномерности в 5 раз, величина поля допуска возрастает в 4,5…5 раз, т.е. зависимость поля допуска от допустимой неравномерности нагружения витков заборной части близка к линейной. Отношение полей допусков на первый и последний витки заборной части - 2,5 раза.

Для резьб с шагом до 1 мм радиальное биение (рис. 8) не должно превышать 0,01 мм. Для резьб более крупного шага наиболее рациональным представляется радиальное биение в пределах 0,01…0,04 мм, так как радиальное биение менее 0,01 мм трудно достижимо, а радиальное биение более 0,04 мм вызывает значительную неравномерность нагружения, что приводит к существенному снижению стойкости инструмента.

Рис. 7. Влияние на неравномерность МПК величины поля допуска на диаметр витков заборной части первого ролика аксиальной головки (резьба М27х2)



Рис. 8. Изменение МПК одного витка резьбы инструмента и заготовки вследствие радиального биения резьбы ролика (накатывание двумя роликами с радиальной подачей резьбы М27х2).

Для накатывания конических резьб с осевой подачей установлен допускаемый перебег инструмента, соизмеримый с шагом накатываемой резьбы, исключающий расклинивание и разрушение инструмента.

В четвертой главе разработана методика проведения вычислительного эксперимента по моделированию поверхностного пластического формоизменения с помощью МКЭ в системе DEFORM, обеспечивающая корректную постановку граничных и начальных условий. Графики зависимости сил деформирования (а) и нормализованного критерия разрушения Кокрофта-Лейтема (б) от шага при накатывании трапецеидальных резьб на заготовках из стали 45 с различными схемами деформирования приведены на рис. 9.

Резьба при моделировании представлялась в виде кольцевых канавок. Для сокращения времени расчета моделирование производилось для одной четверти заготовки. В местах разреза прикладывались соответствующие граничные условия - запрет на перемещения в плоскости разреза. При моделировании заготовка принималась жестко пластичной, инструмент идеально жестким. Механические свойства материала заготовки задаются мультилинейной кривой упрочнения. В качестве критерия разрушения материала используется нормализованный критерий Кокрофта - Лейтема. При разбиении модели на конечные элементы используется Лагранжева сетка. Количество элементов подбирается таким образом, чтобы длина стороны самого маленького элемента была в 3 раза меньше радиуса впадины накатываемой резьбы. Заготовка при моделировании сохраняет неподвижность, а все движения сообщаются инструменту. Качение инструмента по заготовке происходит без проскальзывания.

а б

Рис. 9. зависимость сил деформирования (а) и нормализованного критерия разрушения Кокрофта-Лейтема (б) от шага при накатывании трапецеидальных резьб

Из результатов моделирования следует, что наибольшее упрочнение обеспечивает послойная схема деформирования. Однако, при этом возникают значительные силы деформирования, а критерий разрушения превышает предельно допустимые значения. Для обеспечения лучшего упрочнения более перспективной является угловая схема деформирования. Для обеспечения минимальной силы деформирования предпочтительна возвратная схема, однако она обеспечивает наименьшее упрочнение накатываемой резьбы. Наименьшие напряжения в инструменте имеют место при возвратной и профильной схемах деформирования.

МКЭ, как и все численные методы, позволяет получать частные решения для конкретных условий. Для определения рациональной схемы деформации необходимо выявить закономерности влияния параметров процесса накатывания на поля напряжений и деформаций в инструменте и заготовке. Спланирован и реализован вычислительный эксперимент по моделированию накатывания резьб с треугольным и круглым профилем. Моделирование производилось для сталей 45, 40Х и ШХ15. Интервал варьирования факторов: шаг P от 1 до 5 мм; угол профиля от 30 до 90 градусов; радиус при вершине r от 1 до 5 мм; глубина h предварительно сформированной канавки 0,1 мм, от 30 до 90 градусов и от 1 до 5 мм соответственно; диаметр инструмента D_и от 2 мм до 250 мм; диаметр заготовки D_з от 10 мм до 250 мм; текущее радиальное обжатие h от 0,05 до 5 мм.

Результаты вычислительного эксперимента в ряде ключевых точек плана проверены натурным экспериментом по накатыванию кольцевых канавок с помощью экспериментальной тензометрической головки. Расхождение между результатами натурного и вычислительного эксперимента составило не более 10%.

Примеры полученных регрессионных математических моделей:

Математические модели распределения эквивалентных деформаций по глубине H соответственно в выступе и во впадине при накатывании треугольной (4) и круглой (5) резьбы на заготовках из стали 40Х

(4)

. (5)

Математические модели максимального значения нормализованного критерия разрушения Кокрофта-Лейтема при накатывании треугольных (6) и круглых (7) резьб на заготовках из стали ШХ15

(6)

. (7)

Контурные графики, полученные по формулам (6) и (7) показаны на рис. 10. Графики зависимости критерия разрушения позволяют установить критические значения радиальных обжатий, приводящих к разрушению заготовки. При превышении критических значений необходимо использовать комбинированную режуще-деформирующую обработку.

а б

Рис. 10. зависимость нормализованного критерия разрушения Кокрофта-Лейтема при накатывании треугольных (а) и круглых (б) резьб на заготовках из стали ШХ15 от шага резьбы P и накопленного радиального обжатия h

Разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции резьбонакатного инструмента и технологии накатывания резьб со статическим нагружением инструмента на заготовках из труднообрабатываемых или предварительно упрочненных материалов:

При моделировании накатывания резьбы с замковым профилем установлено, что степень обжатия должна находиться в диапазоне 1,1…1,5.

При выборе режима накатывания резьбы (закона изменения радиального обжатия) необходимо чтобы максимальные значения нормализованного критерия разрушения Кокрофта-Лейтема, определяемые из расчета, не превышали допустимого для заданного материала заготовки значения (0,65 для сталей).

При невозможности исключить превышение допустимых значений напряжений и деформаций за счет рационального закона изменения радиальных обжатий накатывание резьбы должно производиться по предварительно прорезанной винтовой канавке. Наименьшее значение эквивалентных напряжений и, следовательно, сил деформирования обеспечивают предварительно прорезанные канавки с углом профиля (для линейчатых резьб) или радиусом (для круглых резьб) меньшим угла профиля (радиуса) накатываемой резьбы.

Угол профиля (радиус) предварительно прорезанной винтовой канавки должен зависеть от механических свойств материала заготовки: чем выше твердость и прочность заготовки, тем меньше должен быть угол профиля (радиус) предварительно нарезанной канавки и наоборот. Графики зависимости требуемой глубины предварительно нарезанной винтовой канавки от шага накатываемой резьбы при накатывании трапецеидальных резьб приведены на рис. 11. При накатывании термически упрочненных резьб объем прорезанной канавки должен увеличиваться пропорционально увеличению твердости материала заготовки.



Рис. 11. зависимость требуемой глубины предварительно нарезанной винтовой канавки от шага при накатывании трапецеидальных резьб

В пятой главе приведены результаты исследования СИО резьб.

Для определения полей напряжений и деформаций при СИО резьб разработана методика моделирования СИО в системе DEFORM. При моделировании к инструменту прикладывались ударные импульсы, аналогичные реальным. На рис. 12 приведен полученный по результатам моделирования график эквивалентных деформаций упрочненной поверхности, позволяющий количественно оценивать равномерность упрочнения, используя понятие опорной длины кривой упрочнения (по аналогии с опорной длиной профиля шероховатости).

По результатам спланированного вычислительного эксперимента разработаны регрессионные математические модели напряженно-деформированного состояния инструмента и заготовки при СИО резьб с линейчатым профилем. Интервал варьирования факторов составлял: диаметр инструмента D_и от 20 мм до 250 мм; диаметр заготовки D_з от 20 мм до 250 мм; шаг профиля P от 1 до 5 мм; угол профиля от 30 до 90; глубина предварительно сформированной канавки h_i от 0 до 0,5 мм; текущее радиальное обжатие h от 0,1 до 0,5 мм; максимальная сила деформирующего импульса P_и от 1000 до20000 Н, коэффициент перекрытия K от 0 до 1 и сила статического поджима P_cт от 0 до 1000 Н.



Рис. 12. Распределение эквивалентных деформаций по Мизесу под упрочненной поверхностью при СИО резьбы шагом 2 мм на заготовках из стали 45

Регрессионные математические модели распределения эквивалентных напряжений по Мизесу в инструменте (8) и заготовке (9) по глубине h соответственно в выступе и во впадине в зависимости от радиального обжатия h при СИО резьб на заготовках из стали 45 имеют вид:

(8)

(9)

Регрессионные математические модели распределения эквивалентных деформаций по Мизесу в заготовке по глубине h соответственно в выступе (10) и во впадине (11) при СИО треугольных резьб на заготовках из стали 40Х имеют вид:

 (10)

(11)

Графики зависимости эквивалентных деформаций при СИО треугольных (а) и круглых (б) резьб на заготовках из стали 40Х от силы деформирования P_им, накопленного радиального обжатия h, шага резьбы P и коэффициента перекрытия отпечатков K приведены на рис. 13.

Размещено на Allbest.ru

а

D_и = 100 мм; d_з = 50 мм; = 60; P = 2 мм; h =0,3 мм; Р_ст= 100 Н; К = 0,5

 б

D_и = 100 мм; d_з = 50 мм; = 60; h =0,3 мм; Р_им =5000 Н; Р_ст= 100 Н; H = 0,1 мм

Рис. 13. зависимость эквивалентных деформаций при СИО треугольных (а) и круглых (б) резьб на заготовках из стали ШХ15 от силы деформирования P_им, накопленного радиального обжатия h, шага резьбы P и коэффициента перекрытия отпечатков K

При анализе результатов натурного и вычислительного экспериментов установлено, что площадь отпечатка при внедрении инструмента в заготовку прямо пропорциональна величине динамического нагружения инструмента. Получена регрессионная зависимость глубины внедрения инструмента в заготовку под действием единичных импульсов при СИО от диаметров инструмента и заготовки (D_и, D_з), угла профиля резьбы (a), энергии единичного импульса (Е), кратности воздействия (n), величины статического поджима инструмента (Р_ст) и пластической твердости материала заготовки (НД).

 (12)

Установлено, что наибольшее влияние на глубину внедрения инструмента оказывает энергия единичного импульса и угол профиля резьбы. Влияние остальных факторов несколько меньше.

Сравнение микротвердости резьб и профилей, полученных пластическим деформированием различными методами, показало, что при СИО резьб и профилей глубина упрочнения в 3…4 раза больше, чем при традиционном накатывании

Установлено, что наибольшее влияние на величину напряжений и деформаций в инструменте и заготовке при СИО треугольных резьб оказывают максимальная сила деформации, текущее и накопленное радиальное обжатие, шаг и угол профиля резьбы. Влияние механических характеристик материала заготовки и инструмента, геометрии контактирующих тел, текущих и накопленных радиальных обжатий на поля напряжений и деформаций в инструменте и заготовке при накатывании резьб со статическим и статико-импульсным нагружением инструмента аналогично. Кратность воздействия при СИО резьб не оказывает существенного влияния на максимальную величину напряжений и деформаций в инструменте и заготовке. Соотношение частоты деформирующих импульсов и скорости подачи необходимо определять исходя из требуемой равномерности наклепа и шероховатости поверхности. Максимальная энергия деформирующих импульсов при СИО резьб шагом до 6 мм включительно не должна превышать 300 Дж.

Для установления целесообразности применения СИО при формообразовании и упрочнении тяжелонагруженных резьб и профилей проведены исследования эксплуатационных характеристик (износостойкости и усталостной прочности) поверхностей, полученных различными методами. Установлено, что СИО обеспечивает в 1,3 раза большую износостойкость и в 1,2 раза большую усталостную прочность, чем традиционное накатывание и, соответственно в 3,1 и 2,8 раза большую, чем шлифование.

Шестая глава посвящена практической реализации результатов исследований. Разработана технология СИО резьб и профилей. Установлено, что для формирования полного профиля резьбы в зависимости от шага и материала заготовки энергия деформирующих импульсов должна изменяться в пределах от 50 до 300 Дж. Результаты исследований использованы при создании САПР ТП СИО (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009610110 от 11.01.2009).

На основе результатов проведенных исследований разработана САПР резьбонакатного инструмента повышенной стойкости. САПР представляет собой документ T-FLEX CAD 3D, содержащий 3D модели, необходимые для определения диаметра заготовки под накатывание резьбы и построения рационального профиля заборной части; параметрического чертежа резьбонакатного инструмента и пользовательского интерфейса (диалога пользователя), обеспечивающего удобство применения САПР.

Профилирование заборной части резьбонакатного инструмента с использованием предлагаемой методики позволяет повысить его стойкость в 2…3 раза за счет обеспечения равнонагруженности его витков на всех этапах формирования резьбового профиля. Это делает экономически целесообразным накатывание резьб на труднообрабатываемых или предварительно упрочненных материалах и позволяет обеспечить требуемую для тяжелонагруженных резьб степень упрочнения поверхностного слоя.

Результаты проведенных исследований прошли промышленную апробацию на предприятиях машиностроительного комплекса Москвы, Орла, Набережных Челнов, Мурома и других городов Российской федерации. Например:

По заказу ОАО «МОЭН» (г. Москва) разработана аксиальная резьбонакатная головка ГРК1 для накатывания конических резьб по ГОСТ 633-80 и ANSI/ASME B1.20.1 (NPT/API) на переводниках насосно-компрессорных труб. Проведенные сравнительные испытания резьбы на растяжение у партии переводников П73х60 показали, что накатанная резьба имеет в 1,5 раза более высокую статическую прочность, несмотря не более низкий класс прочности детали (отсутствие термического упрочнения).

Разработаны и прошли промышленную апробацию инструмент и технология накатывания аксиальными головками ВНГН трапецеидальных ходовых резьб на шпинделях задвижек, изготавливаемых на ОАО «Муромский завод гидрораспределительной арматуры» из нержавеющих сталей, позволившие повысить стойкость инструмента в 1,5…2 раза.

Для ОАО «Чебоксарский агрегатный завод» разработана технология, оснастка и инструмент для накатывания резьб на болтах башмачного узла гусениц тяжелых тракторов, термически упрочненных до HRC 40…44, с помощью аксиальной резьбонакатной головки.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет более 2 млн. руб.

Основные выводы и результаты работы

В представленной научно-квалификационной работе изложен комплекс научно обоснованных технических и технологических решений, позволяющих повысить эффективность и расширить область применения резьбонакатывания для получения ответственных тяжелонагруженных резьб на заготовках из труднообрабатываемых материалов, резьб с криволинейным профилем и крупным шагом, крупных конических резьб, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

Разработан комплекс математических моделей, позволяющих выявить характер связей между полями напряжений и деформаций и конструкторско-технологическими параметрами процесса накатывания резьб со статическим и статико-импульсным нагружением деформирующего инструмента.

Установлено, что для каждой схемы деформирования износ витков накатного инструмента прямо пропорционален мгновенной площади пятна их контакта с заготовкой (МПК). Разработанная геометрическая модель резьбонакатывания в отличие от известных методик позволяет определять МПК при накатывании резьб с криволинейным профилем. Установлено, что при накатывании конических резьб угол конуса не оказывает существенного влияния на величину МПК.

Установлено, что величина текущих радиальных обжатий сопоставима с величинами допусков на изготовление витков резьбы резьбонакатного инструмента. При нормировании точности изготовления резьбонакатного инструмента следует учитывать ее влияние на величину МПК. Максимальный допуск должен назначаться на первые витки заборной части резьбонакатного инструмента, а минимальный - на последние. Рекомендуемое соотношение между максимальным и минимальным значениями поля допуска составляет 3…5 раз. Допуск на радиальное биение витков резьбы инструмента относительно посадочного отверстия должен назначаться с учетом допустимой неравномерности нагружения (порядка 5%).

Установлено, что величина проскальзывания в пятне контакта инструмента и заготовки при накатывании резьб может достигать 20% и более. Учитывать влияние скорости проскальзывания необходимо при накатывании цилиндрических резьб с отношением высоты профиля к диаметру более 0,1 и конических резьб с углом конуса более 2 градусов. Снизить скорость взаимного проскальзывания позволяет рациональное соотношение диаметров инструмента и заготовки.

Характер протекания пластической деформации при поверхностном пластическом формообразовании в значительной степени определяется схемой деформирования. Установлено, что для получения высокой степени и глубины упрочнения целесообразно использовать угловую схему деформирования, а для снижения силы деформирования - возвратную. При накатывании с возвратной схемой деформирования трапецеидальных резьб угол профиля витков, осуществляющих дополнительное внедрение, не должен превышать угол профиля накатываемой резьбы более чем на 10. При накатывании с возвратной схемой деформирования круглых резьб радиус при вершине витков, осуществляющих дополнительное внедрение, не должен быть меньше радиуса впадины накатываемой резьбы более чем на 30%.

Полученные математические модели напряжений и деформаций при поверхностном пластическом формоизменении позволили выявить характер влияния на эквивалентные деформации и напряжения по Мизесу и силы деформирования геометрических размеров инструмента и заготовки, текущих и накопленных радиальных обжатий и механических свойств материалов инструмента и заготовки. Установлены критические значения радиальных обжатий, приводящие к разрушению заготовки (для трапецеидальных резьб 0,2…0,4 мм). При превышении критических значений необходимо использовать комбинированную режуще-деформирующую обработку. При термическом упрочнении перед накатыванием объем прорезанной канавки должен увеличиваться пропорционально увеличению твердости материала заготовки.