Помощь студентам в учебе
Исследование параметров, влияющих на качество образования резьбового профиля накатыванием»
|
Введение 6
Глава 1 Аналитический обзор научно-технической литературы по теме образования резьбовых поверхностей путем накатывания 10
1.1 Резьбовые соединения в машиностроении 10
1.2 Производственный процесс накатывания винтовых профилей 13
1.3 Способы накатывания наружных резьб 16
1.4 Основные проблемы при накатывании резьбы, влияющие на качество
изделия 32
Глава 2 Технология изготовления детали типа болт в производственных условиях 39
2.1 Применение детали в авиастроении 39
2.2 Технологический процесс детали в производстве 43
2.3 Анализ проблем с последующим определением задач диссертационной
работы 45
Глава 3 Экспериментальные исследования 50
3.1 Методика определения случайных погрешностей накатанной резьбы .... 50
3.2 Прогнозирование точности резьбы болтов, формируемых накаткой двумя
роликами 61
3.3 Анализ влияния параметров процесса накатывания резьбы болтов роликами на точность основных размеров и формы резьбовой части болтов 69
3.4 Исследование влияния условий и режимов накатывания на физико-механические свойства резьбы 74
3.5 Анализ влияния диаметра заготовки под накатывание резьбы на
получаемый профиль резьбы 76
3.6 Исследование влияния поверхностных дефектов на качество резьбы 81
Заключение 83
Список используемой литературы: 86
Приложение 90
Глава 1 Аналитический обзор научно-технической литературы по теме образования резьбовых поверхностей путем накатывания 10
1.1 Резьбовые соединения в машиностроении 10
1.2 Производственный процесс накатывания винтовых профилей 13
1.3 Способы накатывания наружных резьб 16
1.4 Основные проблемы при накатывании резьбы, влияющие на качество
изделия 32
Глава 2 Технология изготовления детали типа болт в производственных условиях 39
2.1 Применение детали в авиастроении 39
2.2 Технологический процесс детали в производстве 43
2.3 Анализ проблем с последующим определением задач диссертационной
работы 45
Глава 3 Экспериментальные исследования 50
3.1 Методика определения случайных погрешностей накатанной резьбы .... 50
3.2 Прогнозирование точности резьбы болтов, формируемых накаткой двумя
роликами 61
3.3 Анализ влияния параметров процесса накатывания резьбы болтов роликами на точность основных размеров и формы резьбовой части болтов 69
3.4 Исследование влияния условий и режимов накатывания на физико-механические свойства резьбы 74
3.5 Анализ влияния диаметра заготовки под накатывание резьбы на
получаемый профиль резьбы 76
3.6 Исследование влияния поверхностных дефектов на качество резьбы 81
Заключение 83
Список используемой литературы: 86
Приложение 90
Актуальностью темы диссертационной работы является то, что современные промышленные предприятия страдают из-за ухудшения качества и работоспособности машин и механизмов. Многие предприятия ищут эффективные и малозатратные методы, которые помогут не только увеличить технический уровень производства, но и увеличить качество машин и механизмов. Решение данных проблем поможет определить рентабельность их эксплуатации, а также оптимизировать материальные и трудовые ресурсы для выпуска новых изделий. В современных условиях надежность изделия определяют качеством резьбовых соединений. Они составляют около 15-20% от общего количества разных соединений в современных машинах и имеют большое применение в изделиях машиностроительной отрасли. В некоторых областях промышленности доля резьбовых соединений может достигать до 70% всех соединений.
Большие темпы развития машиностроения основаны на внедрении современных и прогрессивных методов обработки металлов на производстве. Это помогает повысить производительность труда в несколько раз и применить более рациональные методы по использованию материала для производства деталей. Один из путей развития прогрессивной технологии в машиностроении является замена обработки резанием на обработку металлов давлением в холодном состоянии. Так как при использовании метода нарезания нужный профиль делается путем снятия стружки режущим инструментом, а при накатывании - пластической деформацией. Главными преимуществами накатывания по сравнению с обработкой резанием есть высокая производительность, постоянство получения более точных размеров резьбы, более высокая усталостная прочность на получаемых деталях, а также метод накатывания приводит к существенной экономии металла.
В современной промышленности широкое применение находят стержневые крепежные изделия с накатанной резьбой (болты, винты, шпильки и т.п.). Особенно важную роль данные изделия играют в авиационном строении. Так как самолет как транспортное средство должен обеспечивать безопасность полета, надежность, а также соответствовать определенным показателям летно-технических характеристик. А авиационный крепеж является составной частью конструкции самолета. Качество и эффективность являются основополагающими свойствами летательного аппарата, где материал крепежных деталей в конструкции самолетов выбирается в зависимости от назначения и условий работы узлов. В состав крепежных деталей могут входить различные материалы и сплавы, углеродистые и легированные стали, а также нержавеющие и инструментальные материалы, латунь, алюминий медь, бериллий, титан и никель. Применение процесса резания для образования резьбы, на подобных деталях, является довольно сложной и трудоемкой работой, также данный процесс не обеспечит, полученную резьбу, необходимыми физико-механическими свойствами. В связи с этим актуально будет использование метода пластической деформации (накатывание). Данный метод будет одним из эффективных для обработки шлицев и резьбы.
Разрушение резьбовых соединений приводит к аварийным и внеплановым остановкам машин, вследствие чего увеличивается время простоя оборудования и финансовые затраты. Это происходит из-за того, что многие предприятия сталкиваются с проблемами в процессе резьбонакатывания, которые связанны с низким качеством изделия, это выражается в плохом оформлении выступов резьбы и в образовании задиров и отслоений во впадинах резьбовой поверхности. Образование задиров и отслоений можно уменьшить, а то и вовсе устранить, если применить рациональные схемы и режимы деформирования. В связи с этим актуальной задачей является поиск эффективных технологий и оптимальных режимов накатывания резьбы. Вследствие этого решение вышеизложенного вопроса представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Объектом исследования является технология изготовления наружной резьбовой поверхности накатыванием на заготовках из широко распространенной в авиастроении легированной конструкционной стали 30ХГСА, имеющей множество аналогов.
Предметом исследования станет образование наружных дефектов на поверхности резьбы в процессе изготовления с использованием метода накатки в производственных условиях.
Целью диссертационной работы является повышение качества наружного резьбового профиля посредством устранения факторов в технологии изготовления наружных резьбовых поверхностей, влияющих на образование наружных дефектов резьбы.
Методика исследований: при решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали в себя научный анализ и обобщение современной теории и практики технологии машиностроения и обработки металлов. Экспериментальные исследования заключались в проведении опытов в соответствии с разработанным планом экспериментальных исследований и в обработке полученных результатов статистическими методами, а также с использованием математической статистики в современных программных средах. Экспериментальные опыты проводились в производственной замерительной лаборатории ОАО «Авиакор» с использованием специально разработанных приспособлений, методов и средств измерения.
Достоверность научных положений и рекомендаций подтверждена достаточной сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований, а также опробованием их в промышленных условиях.
Апробация работы. Главные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на: XVIII Международной студенческой заочной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия» (г. Новосибирск, 2017 г.).
Реализация результатов работы. Результаты исследований, представленные в настоящей работе, могут быть применены на предприятиях авиа и машиностроения.
Краткое содержание диссертационной работы.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость, определены основные положения, выносимые на защите.
В первой главе проведен аналитический обзор научно-технической литературы по теме образования резьбовых поверхностей путем накатывания. На основе проведенного анализа определены особенности процесса накатывания резьбы и основные проблемы.
Во второй главе изучена технология изготовления детали типа болт в производственных условиях и разобраны наиболее распространенные виды встречаемых наружных дефектов образуемых на поверхности накатываемой резьбы в процессе накатки. На основе проведенного анализа сформулирована цель и задачи диссертационного исследования.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований факторов образования наружных дефектов резьбы при образовании резьбы методом накатывания, целью которых являлось нахождение зависимостей и закономерностей влияния технологических факторов на параметры качества и точности резьбовых поверхностей.
В заключение предложены практические рекомендации по технологии изготовления наружных резьбовых поверхностей в производственных условиях для повышения качества накатываемого профиля.
Большие темпы развития машиностроения основаны на внедрении современных и прогрессивных методов обработки металлов на производстве. Это помогает повысить производительность труда в несколько раз и применить более рациональные методы по использованию материала для производства деталей. Один из путей развития прогрессивной технологии в машиностроении является замена обработки резанием на обработку металлов давлением в холодном состоянии. Так как при использовании метода нарезания нужный профиль делается путем снятия стружки режущим инструментом, а при накатывании - пластической деформацией. Главными преимуществами накатывания по сравнению с обработкой резанием есть высокая производительность, постоянство получения более точных размеров резьбы, более высокая усталостная прочность на получаемых деталях, а также метод накатывания приводит к существенной экономии металла.
В современной промышленности широкое применение находят стержневые крепежные изделия с накатанной резьбой (болты, винты, шпильки и т.п.). Особенно важную роль данные изделия играют в авиационном строении. Так как самолет как транспортное средство должен обеспечивать безопасность полета, надежность, а также соответствовать определенным показателям летно-технических характеристик. А авиационный крепеж является составной частью конструкции самолета. Качество и эффективность являются основополагающими свойствами летательного аппарата, где материал крепежных деталей в конструкции самолетов выбирается в зависимости от назначения и условий работы узлов. В состав крепежных деталей могут входить различные материалы и сплавы, углеродистые и легированные стали, а также нержавеющие и инструментальные материалы, латунь, алюминий медь, бериллий, титан и никель. Применение процесса резания для образования резьбы, на подобных деталях, является довольно сложной и трудоемкой работой, также данный процесс не обеспечит, полученную резьбу, необходимыми физико-механическими свойствами. В связи с этим актуально будет использование метода пластической деформации (накатывание). Данный метод будет одним из эффективных для обработки шлицев и резьбы.
Разрушение резьбовых соединений приводит к аварийным и внеплановым остановкам машин, вследствие чего увеличивается время простоя оборудования и финансовые затраты. Это происходит из-за того, что многие предприятия сталкиваются с проблемами в процессе резьбонакатывания, которые связанны с низким качеством изделия, это выражается в плохом оформлении выступов резьбы и в образовании задиров и отслоений во впадинах резьбовой поверхности. Образование задиров и отслоений можно уменьшить, а то и вовсе устранить, если применить рациональные схемы и режимы деформирования. В связи с этим актуальной задачей является поиск эффективных технологий и оптимальных режимов накатывания резьбы. Вследствие этого решение вышеизложенного вопроса представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Объектом исследования является технология изготовления наружной резьбовой поверхности накатыванием на заготовках из широко распространенной в авиастроении легированной конструкционной стали 30ХГСА, имеющей множество аналогов.
Предметом исследования станет образование наружных дефектов на поверхности резьбы в процессе изготовления с использованием метода накатки в производственных условиях.
Целью диссертационной работы является повышение качества наружного резьбового профиля посредством устранения факторов в технологии изготовления наружных резьбовых поверхностей, влияющих на образование наружных дефектов резьбы.
Методика исследований: при решении поставленных задач были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали в себя научный анализ и обобщение современной теории и практики технологии машиностроения и обработки металлов. Экспериментальные исследования заключались в проведении опытов в соответствии с разработанным планом экспериментальных исследований и в обработке полученных результатов статистическими методами, а также с использованием математической статистики в современных программных средах. Экспериментальные опыты проводились в производственной замерительной лаборатории ОАО «Авиакор» с использованием специально разработанных приспособлений, методов и средств измерения.
Достоверность научных положений и рекомендаций подтверждена достаточной сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований, а также опробованием их в промышленных условиях.
Апробация работы. Главные положения диссертационной работы обсуждались и докладывались на: XVIII Международной студенческой заочной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия» (г. Новосибирск, 2017 г.).
Реализация результатов работы. Результаты исследований, представленные в настоящей работе, могут быть применены на предприятиях авиа и машиностроения.
Краткое содержание диссертационной работы.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость, определены основные положения, выносимые на защите.
В первой главе проведен аналитический обзор научно-технической литературы по теме образования резьбовых поверхностей путем накатывания. На основе проведенного анализа определены особенности процесса накатывания резьбы и основные проблемы.
Во второй главе изучена технология изготовления детали типа болт в производственных условиях и разобраны наиболее распространенные виды встречаемых наружных дефектов образуемых на поверхности накатываемой резьбы в процессе накатки. На основе проведенного анализа сформулирована цель и задачи диссертационного исследования.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований факторов образования наружных дефектов резьбы при образовании резьбы методом накатывания, целью которых являлось нахождение зависимостей и закономерностей влияния технологических факторов на параметры качества и точности резьбовых поверхностей.
В заключение предложены практические рекомендации по технологии изготовления наружных резьбовых поверхностей в производственных условиях для повышения качества накатываемого профиля.
Результаты проведенных в диссертационной работе исследований позволяют сделать следующие основные выводы:
1. Разработана методика прогнозирования точности накатанной резьбы. В основу методики положен метод определения случайных погрешностей, возникающих в результате колебаний радиальной составляющей усилия накатывания, которые возникают по причине колебаний предела текучести о0 материала заготовки, диаметра d0и длины L исходной заготовки, коэффициента трения р.
2. Используя программный комплекс «DEFORM-3D», в основу которого положен метод конечных элементов, выполнено моделирование процесса накатки резьбы болта М20-90 кд ОСТ1-31103-80 и определено напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры. Используя результаты компьютерного моделирования, определялись случайные погрешности диаметра накатываемой резьбы Ada, Adp, Add0, AdL, возникающие при колебании технологических параметров (о0, p, d0, L), и вычислялась общая случайная погрешность, по которой оценивалась точность накатываемой резьбы. На основании выполненных расчетов установлено:
- Колебания внутреннего диаметра резьбы болта М20-90 кд ОСТ1- 31103-80 наиболее чувствительны к колебаниям базисного сопротивления деформации о0. Колебания коэффициента трения р и диаметра d0исходной заготовки влияют на колебания внутреннего диаметра резьбы незначительно.
- Расчеты, выполненные для процесса накатки резьбы болта М20-90 кд
ОСТ1-31103-80 из стали марки 30ХГСА накатыванием двумя приводными цилиндрическими роликами на станке А9518Б (завод ОАО «Авиакор», г. Самара), показали, что при коэффициенте жесткости С = 500 кН/мм суммарная погрешность внутреннего диаметра накатанной резьбы не выходит за пределы регламентированного допуска: [-500 мкм, +500 мкм].
3. Анализ результатов комплексных исследований влияния параметров процесса накатывания резьбы болтов роликами показал:
- овальность и конусообразность резьбы при накатывании без упора увеличиваются при нарастании радиальной подачи роликов и практически не зависят от нее при накатывании на упоре;
- при накатывании в заполненном контуре овальность и конусообразность резьбы значительно выше, чем при накатывании в незаполненном контуре;
- для получения точной резьбы (при производстве высокоточных болтов и других крепёжных изделий) её следует накатывать на упоре станка, исключающем заполнение контура инструментов, причём продолжительность накатывания должна обеспечивать калибрование резьбы в течение тк.
- наибольшую микротвердость имеют зоны стесненного деформирования во впадинах резьбы, наименьшую — зоны свободного течения металла (например, в витках резьбы и вблизи оси стержня). А также выявлено, что с увеличением радиальной подачи возрастает глубина проникновения деформации в болт и повышается твёрдость металла в витке и сердцевине стержня резьбы болта. А увеличение частоты вращения роликов и продолжительности накатывания за счёт калибрования резьбы болтов вызывает дополнительный наклёп поверхностных слоев металла, повышающий твердость и прочность. Предложены практические рекомендации по технологии изготовления болта М20-90 кд ОСТ1-31103-80.
4. Исследованы закономерности влияния диаметра заготовки под накатывание резьбы на получаемый профиль резьбы накатыванием двумя роликами на упоре. Установлено, что вследствие ограничения наибольшего перемещения ролика упором, внутренний и средний диаметры резьбы болта оказываются практически независимыми от диаметра заготовки болта под накатывание. А вот наружный диаметр резьбы болта и, как следствие, степень заполнения контура зависят от отклонения значений диаметра заготовки болта под накатывание. Рассчитан диаметр под накатку исходной заготовки из условия равенства объемов, который равен 18,9 мм. Экспериментальным путем выявлен рациональный диаметр под накатку бзаг = 18,95 мм, обеспечивающий наибольшее соответствие пределов допуска внутренних и наружных диаметров накатанной резьбы.
5. Проведенные эксперименты показали, что немаловажным фактором качественного образования резьбового профиля несомненно является наличие заготовки с соответствующей чистотой поверхности, исключающее образование поверхностных дефектов в виде отслоений и неравномерностей на поверхности сформированной резьбы.
6. Скорректирован технологический процесс накатки резьбы на болтах
М20-90кдОСТ1-31103-80, так как в ходе практики на ОАО «Авиакор» было выявлено, что процесс обработки заготовки состоящий из операции холодной штамповки на комплексном оборудовании Л346.31.100 (Комплекс автоматический для холодной штамповки) не позволяет получить необходимую чистоту поверхности и точность размеров заготовки, вследствие естественного износа оборудования и оснастки. Поэтому было предложено добавить в существующий технологический процесс после операции холодной штамповки операцию шлифовки наружного диаметра заготовки до бзаг = 18,95 мм (выявленных в п. 3.5). Данное решение основывалось на конкретные условия производства (отсутствие возможности модернизации оборудования и наличие бесцентрового круглошлифовального универсального станка 3М182 для шлифовки). С проведением промышленного опробования и дальнейшим утверждением выполненных разработок в условиях ОАО «Авиакор».
7. По материалам ранее проведенных исследований, опубликована статья в рецензируемом высокорейтинговом издании.
1. Разработана методика прогнозирования точности накатанной резьбы. В основу методики положен метод определения случайных погрешностей, возникающих в результате колебаний радиальной составляющей усилия накатывания, которые возникают по причине колебаний предела текучести о0 материала заготовки, диаметра d0и длины L исходной заготовки, коэффициента трения р.
2. Используя программный комплекс «DEFORM-3D», в основу которого положен метод конечных элементов, выполнено моделирование процесса накатки резьбы болта М20-90 кд ОСТ1-31103-80 и определено напряженно-деформированное состояние и энергосиловые параметры. Используя результаты компьютерного моделирования, определялись случайные погрешности диаметра накатываемой резьбы Ada, Adp, Add0, AdL, возникающие при колебании технологических параметров (о0, p, d0, L), и вычислялась общая случайная погрешность, по которой оценивалась точность накатываемой резьбы. На основании выполненных расчетов установлено:
- Колебания внутреннего диаметра резьбы болта М20-90 кд ОСТ1- 31103-80 наиболее чувствительны к колебаниям базисного сопротивления деформации о0. Колебания коэффициента трения р и диаметра d0исходной заготовки влияют на колебания внутреннего диаметра резьбы незначительно.
- Расчеты, выполненные для процесса накатки резьбы болта М20-90 кд
ОСТ1-31103-80 из стали марки 30ХГСА накатыванием двумя приводными цилиндрическими роликами на станке А9518Б (завод ОАО «Авиакор», г. Самара), показали, что при коэффициенте жесткости С = 500 кН/мм суммарная погрешность внутреннего диаметра накатанной резьбы не выходит за пределы регламентированного допуска: [-500 мкм, +500 мкм].
3. Анализ результатов комплексных исследований влияния параметров процесса накатывания резьбы болтов роликами показал:
- овальность и конусообразность резьбы при накатывании без упора увеличиваются при нарастании радиальной подачи роликов и практически не зависят от нее при накатывании на упоре;
- при накатывании в заполненном контуре овальность и конусообразность резьбы значительно выше, чем при накатывании в незаполненном контуре;
- для получения точной резьбы (при производстве высокоточных болтов и других крепёжных изделий) её следует накатывать на упоре станка, исключающем заполнение контура инструментов, причём продолжительность накатывания должна обеспечивать калибрование резьбы в течение тк.
- наибольшую микротвердость имеют зоны стесненного деформирования во впадинах резьбы, наименьшую — зоны свободного течения металла (например, в витках резьбы и вблизи оси стержня). А также выявлено, что с увеличением радиальной подачи возрастает глубина проникновения деформации в болт и повышается твёрдость металла в витке и сердцевине стержня резьбы болта. А увеличение частоты вращения роликов и продолжительности накатывания за счёт калибрования резьбы болтов вызывает дополнительный наклёп поверхностных слоев металла, повышающий твердость и прочность. Предложены практические рекомендации по технологии изготовления болта М20-90 кд ОСТ1-31103-80.
4. Исследованы закономерности влияния диаметра заготовки под накатывание резьбы на получаемый профиль резьбы накатыванием двумя роликами на упоре. Установлено, что вследствие ограничения наибольшего перемещения ролика упором, внутренний и средний диаметры резьбы болта оказываются практически независимыми от диаметра заготовки болта под накатывание. А вот наружный диаметр резьбы болта и, как следствие, степень заполнения контура зависят от отклонения значений диаметра заготовки болта под накатывание. Рассчитан диаметр под накатку исходной заготовки из условия равенства объемов, который равен 18,9 мм. Экспериментальным путем выявлен рациональный диаметр под накатку бзаг = 18,95 мм, обеспечивающий наибольшее соответствие пределов допуска внутренних и наружных диаметров накатанной резьбы.
5. Проведенные эксперименты показали, что немаловажным фактором качественного образования резьбового профиля несомненно является наличие заготовки с соответствующей чистотой поверхности, исключающее образование поверхностных дефектов в виде отслоений и неравномерностей на поверхности сформированной резьбы.
6. Скорректирован технологический процесс накатки резьбы на болтах
М20-90кдОСТ1-31103-80, так как в ходе практики на ОАО «Авиакор» было выявлено, что процесс обработки заготовки состоящий из операции холодной штамповки на комплексном оборудовании Л346.31.100 (Комплекс автоматический для холодной штамповки) не позволяет получить необходимую чистоту поверхности и точность размеров заготовки, вследствие естественного износа оборудования и оснастки. Поэтому было предложено добавить в существующий технологический процесс после операции холодной штамповки операцию шлифовки наружного диаметра заготовки до бзаг = 18,95 мм (выявленных в п. 3.5). Данное решение основывалось на конкретные условия производства (отсутствие возможности модернизации оборудования и наличие бесцентрового круглошлифовального универсального станка 3М182 для шлифовки). С проведением промышленного опробования и дальнейшим утверждением выполненных разработок в условиях ОАО «Авиакор».
7. По материалам ранее проведенных исследований, опубликована статья в рецензируемом высокорейтинговом издании.