Помощь студентам в учебе
Повышение эффективности процесса термического сверления тонколистовых заготовок комбинированным инструментом
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1 Методы формообразования отверстий в тонколистовых заготовках.
Существующие способы искусственного увеличения длины рабочего участка 7
1.2 Применение термического сверления для получения отверстий и
отбортовок в тонколистовых заготовках 16
Выводы 26
Формулирование цели и задач исследования 26
2 ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ И ОТБОРТОВОК
ВРАЩАЮЩИМСЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ПУАНСОНОМ В
ТОНКОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВКАХ 29
2.1 Проектирование и изготовление инструмента 29
2.2 Методика экспериментов по термическому сверлению отверстий и
отбортовок комбинированным инструментом 38
2.3 Осевая сила при термическом сверлении 47
Выводы 55
3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ОТБОРТОВКИ. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ИНСТРУМЕНТА И ЗАГОТОВКИ
56
3.1 Г еометрические параметры сформированных отбортовок 56
3.2 Дисперсионный анализ высоты нижней отбортовки 59
3.3 Регрессионный анализ высоты нижней отбортовки 70
3.4 Оценка значимости и адекватности уравнения регрессии 73
3.5 Обзор программ для расчета деформаций на базе метода конечных
элементов 80
3.6 Моделирование напряженно-деформированного состояния инструмента и заготовки на базе метода конечных элементов 83
Выводы 97
4 КАЧЕСТВО СФОРМИРОВАННЫХ ОТБОРТОВОК И МЕТОДИКА
НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ
СВЕРЛЕНИИ КОМБИНИРОВАННЫМ ИНСТРУМЕНТОМ 98
4.1 Анализ микроскопии металла заготовки 98
4.2 Анализ микртвердости металла заготовки 107
4.3 Анализ шероховатости рабочего участка 109
4.4 Расчет точности сформированных отверстий 112
4.5 Методика назначения режимов обработки 115
Выводы 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 121
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 126
ПРИЛОЖЕНИЯ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ А 127
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1 Методы формообразования отверстий в тонколистовых заготовках.
Существующие способы искусственного увеличения длины рабочего участка 7
1.2 Применение термического сверления для получения отверстий и
отбортовок в тонколистовых заготовках 16
Выводы 26
Формулирование цели и задач исследования 26
2 ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ОТВЕРСТИЙ И ОТБОРТОВОК
ВРАЩАЮЩИМСЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ПУАНСОНОМ В
ТОНКОЛИСТОВЫХ ЗАГОТОВКАХ 29
2.1 Проектирование и изготовление инструмента 29
2.2 Методика экспериментов по термическому сверлению отверстий и
отбортовок комбинированным инструментом 38
2.3 Осевая сила при термическом сверлении 47
Выводы 55
3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ОТБОРТОВКИ. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО- ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ИНСТРУМЕНТА И ЗАГОТОВКИ
56
3.1 Г еометрические параметры сформированных отбортовок 56
3.2 Дисперсионный анализ высоты нижней отбортовки 59
3.3 Регрессионный анализ высоты нижней отбортовки 70
3.4 Оценка значимости и адекватности уравнения регрессии 73
3.5 Обзор программ для расчета деформаций на базе метода конечных
элементов 80
3.6 Моделирование напряженно-деформированного состояния инструмента и заготовки на базе метода конечных элементов 83
Выводы 97
4 КАЧЕСТВО СФОРМИРОВАННЫХ ОТБОРТОВОК И МЕТОДИКА
НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ
СВЕРЛЕНИИ КОМБИНИРОВАННЫМ ИНСТРУМЕНТОМ 98
4.1 Анализ микроскопии металла заготовки 98
4.2 Анализ микртвердости металла заготовки 107
4.3 Анализ шероховатости рабочего участка 109
4.4 Расчет точности сформированных отверстий 112
4.5 Методика назначения режимов обработки 115
Выводы 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 121
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 126
ПРИЛОЖЕНИЯ 127
ПРИЛОЖЕНИЕ А 127
В настоящее время во многих производственных отраслях применяются изделия из тонколистового металла. Такими отраслями являются: автомобилестроение (крепление кожухов, емкостей, крышек и т.д.), производство бытовой техники (ручки, задвижки), производство товаров общего потребления (крючки, полки), авиастроение (внутренний каркас и внешняя оболочка фюзеляжа) и др.
Толщина тонколистового изделия, к которому крепятся ответные детали, может быть различной в зависимости от требований к конструкции, но не превышает 2,0 мм [49]. Крепление тонколистовой детали может осуществляться при помощи разъемного, неразъемного, подвижного и неподвижного соединений. Одним из возможных вариантов неподвижного разъемного соединения является резьбовое соединение. Важным фактором является то, что нагрузка между витками резьбы распределяется неравномерно. В соответствии с графиком распределения нагрузки между витками резьбы, предложенным Н.Е. Жуковским в 1902 году, для обеспечения прочности резьбового соединения необходимо сформировать минимум 3 витка резьбы, поскольку на них приходится около 70% от общей нагрузки [19]. Но гарантировать данное условие невозможно при недостаточной длине рабочего участка (длины свинчивания) (например, при использовании листового металла толщиной 0,8 мм).
Требуемого значения длины рабочего участка можно достичь искусственным увеличением толщины листового металла. Существуют различные способы искусственного увеличения толщины листа: гибка листа, приварка втулок, гаек, использование сформированных отбортовок [5]. Перечисленные способы позволяют увеличить толщину металлического листа, но являются недостаточно технологичными, поскольку практически не применимы в монтажных условиях, требуют дополнительных расходных материалов, наличия дополнительного специального оборудования, увеличивают трудоемкость самого процесса.Одним из возможных методов решения данных проблем является термическое сверление [14, 27, 44-48]. Достоинством метода является то, что в процессе формообразования отверстия в месте контакта инструмента и заготовки возникают силы трения, под действием которым образуется отбортовка, которая увеличивает длину рабочего участка. Также метод термического сверления обладает большей технологичностью, прост в реализации, его использование позволяет сократить временные, трудовые затраты и затраты на материал.
Изучением процесса термического сверления занимались многие исследователи, первым из которых стал Жан Клод де Вальере, который в 1923 году изготовил инструмент для формирования отверстий посредством теплоты трения [50]. Несмотря на то, что термическое сверление является давно известным способом формирования отверстий, в настоящее время все еще продолжаются исследования с целью усовершенствования технологии данного процесса и повышения его эффективности. В работах П.В. Шаламова, О.В. Золотова, рассматриваются вопросы геометрии применяемого инструмента, различные толщины и материалы листовых заготовок, различные режимные параметры процесса [9, 13]. Но ни в одной работе не исследуются вопросы геометрии сформированных отбортовок, а также не предоставляется методика назначения режимных параметров процесса. Существенной проблемой термического сверления все еще остается прогиб листовой заготовки под действием осевой силы, действующей со стороны инструмента. В особенности это касается заготовок толщиной менее 2,0 мм.
Выпускная квалификационная работа (ВКР) посвящена повышению эффективности термического сверления тонколистовых заготовок на основании применения принципиально новой геометрии инструмента и разработке методики назначения режимных параметров процесса, уменьшающих прогиб листовой заготовки.
Направленность ВКР в соответствии с ФГОС 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» - на-
учно-исследовательская, так как осуществление процесса производится с использованием принципиально новой геометрии инструмента.
Направленность ВКР по расположению в системе знаний - методы формообразования поверхностей.
Объект исследований - термическое сверление.
Предмет исследований - геометрические параметры отбортовок, образованных комбинированным инструментом, осевая сила, режимы обработки, качество сформированных отверстий.
Толщина тонколистового изделия, к которому крепятся ответные детали, может быть различной в зависимости от требований к конструкции, но не превышает 2,0 мм [49]. Крепление тонколистовой детали может осуществляться при помощи разъемного, неразъемного, подвижного и неподвижного соединений. Одним из возможных вариантов неподвижного разъемного соединения является резьбовое соединение. Важным фактором является то, что нагрузка между витками резьбы распределяется неравномерно. В соответствии с графиком распределения нагрузки между витками резьбы, предложенным Н.Е. Жуковским в 1902 году, для обеспечения прочности резьбового соединения необходимо сформировать минимум 3 витка резьбы, поскольку на них приходится около 70% от общей нагрузки [19]. Но гарантировать данное условие невозможно при недостаточной длине рабочего участка (длины свинчивания) (например, при использовании листового металла толщиной 0,8 мм).
Требуемого значения длины рабочего участка можно достичь искусственным увеличением толщины листового металла. Существуют различные способы искусственного увеличения толщины листа: гибка листа, приварка втулок, гаек, использование сформированных отбортовок [5]. Перечисленные способы позволяют увеличить толщину металлического листа, но являются недостаточно технологичными, поскольку практически не применимы в монтажных условиях, требуют дополнительных расходных материалов, наличия дополнительного специального оборудования, увеличивают трудоемкость самого процесса.Одним из возможных методов решения данных проблем является термическое сверление [14, 27, 44-48]. Достоинством метода является то, что в процессе формообразования отверстия в месте контакта инструмента и заготовки возникают силы трения, под действием которым образуется отбортовка, которая увеличивает длину рабочего участка. Также метод термического сверления обладает большей технологичностью, прост в реализации, его использование позволяет сократить временные, трудовые затраты и затраты на материал.
Изучением процесса термического сверления занимались многие исследователи, первым из которых стал Жан Клод де Вальере, который в 1923 году изготовил инструмент для формирования отверстий посредством теплоты трения [50]. Несмотря на то, что термическое сверление является давно известным способом формирования отверстий, в настоящее время все еще продолжаются исследования с целью усовершенствования технологии данного процесса и повышения его эффективности. В работах П.В. Шаламова, О.В. Золотова, рассматриваются вопросы геометрии применяемого инструмента, различные толщины и материалы листовых заготовок, различные режимные параметры процесса [9, 13]. Но ни в одной работе не исследуются вопросы геометрии сформированных отбортовок, а также не предоставляется методика назначения режимных параметров процесса. Существенной проблемой термического сверления все еще остается прогиб листовой заготовки под действием осевой силы, действующей со стороны инструмента. В особенности это касается заготовок толщиной менее 2,0 мм.
Выпускная квалификационная работа (ВКР) посвящена повышению эффективности термического сверления тонколистовых заготовок на основании применения принципиально новой геометрии инструмента и разработке методики назначения режимных параметров процесса, уменьшающих прогиб листовой заготовки.
Направленность ВКР в соответствии с ФГОС 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» - на-
учно-исследовательская, так как осуществление процесса производится с использованием принципиально новой геометрии инструмента.
Направленность ВКР по расположению в системе знаний - методы формообразования поверхностей.
Объект исследований - термическое сверление.
Предмет исследований - геометрические параметры отбортовок, образованных комбинированным инструментом, осевая сила, режимы обработки, качество сформированных отверстий.
В соответствии со сформулированными в ВКР задачами проведен анализ существующих методов формообразования отверстий в тонколистовом металле и способов искусственного увеличения длины рабочего участка. В результате анализа определены основные проблемы, требующие решения: необходимость повышения технологичности имеющихся методов формообразования отверстий в тонколистовых заготовках, что приводит к уменьшению времени реализации процесса и снижению его трудоемкости, разработка методики применения метода термического сверления тонколистового металла с увеличением длины рабочего участка заготовки, определение влияния режимных параметров на геометрические параметры формируемых отбортовок, разработка математических моделей зависимостей выходных параметров операции от входных. В научном и практическом направлениях имеет значение спроектированный комбинированный инструмент, при помощи которого удалось снизить осевую силу, действующую на заготовку, что, в свою очередь, позволило уменьшить прогиб заготовки. Применение высокопроизводительного оборудования позволило сократить время реализации процесса формообразования отверстий на основе увеличения технологических режимов операции. Практическую ценность представляет разработанная методика назначения режимных параметров операции, соблюдение которой гарантирует обеспечение минимально необходимой длины рабочего участка. Обоснованность, объективность и эффективность предлагаемых решений подтверждена результатами экспериментальных исследований, докладами, сообщениями на конференциях и публикациями в печати.
Таким образом, в ВКР на основе технических и технологических решений решены все поставленные задачи и достигнута цель - Повышение эффективности процесса термического сверления тонколистовых заготовок комбинированным инструментом и разработка методики назначения режимных параметров процесса.
По результатам работы сформулированы общие выводы:
1 Анализ существующих методов формообразования отверстий в тонколистовых заготовках показал, что имеющиеся способы искусственного увеличения толщины листа являются недостаточно технологичными, так как требуют дополнительных материальных и временных затрат.
2 Для осуществления процесса термического сверления на основе равенства сечений снимаемого припуска спроектирован и изготовлен комбинированный инструмент трех различных геометрий.
3 Экспериментально установлено, что геометрия и конструкция применяемого при термическом сверлении инструмента и режимные параметры процесса оказывают влияние на величину осевой силы: увеличение числа рабочих ступеней инструмента приводит к уменьшению осевой силы, в то время как повышение режимных параметров процесса приводит к ее увеличению.
4 Разработанная эмпирическая математическая модель высоты нижней отбортовки, которая показывает, что толщина листа заготовки и частота вращения инструмента являются значимыми факторами с уровнем значимости 95%. Математическая модель позволяет управлять высотой нижней отбортовки при выборе частоты вращения инструмента.
5 На базе метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS проведено моделирование напряженно-деформированного состояния инструмента и заготовки. Установлено, что значения напряжений и деформаций инструмента и заготовки не превышают своих предельных значений . Установлено, что вследствие пластической деформации заготовки микротвердость поверхности в зоне пластического деформирования увеличена (наклеп). Глубина наклепанной структуры 35 мкм. Расчет точности сформированных комбинированным инструментом отверстий показал разброс диаметральных значений в пределах d0TB = 4,41 1 1 1 + 0, 1 0 65 м м .
6 Методика назначения режимных параметров процесса гарантирует обеспечение минимально необходимой длины рабочего участка и уменьше-
ние прогиба заготовки от воздействия возникающей со стороны инструмента осевой силы.
7 По исследуемой теме ВКР написано 4 научные статьи. Две статьи опубликованы в журнале, индексируемом в базе Scopus (3-й квартиль), две статьи проиндексированы в РИНЦ. Материалы по теме ВКР докладывались на двух научных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении 2020» (г. Севастополь), а также на XIII ежегодной научно-практической конференции молодых специалистов имени Серафима Афонина (г. Выкса, онлайн-формат). Материалы по теме ВКР также отправлялись на I Всероссийский конкурс научных, учебных и творческих работ по трем номинациям, где заняли I, II и II места соответственно (г. Саратов, онлайн-формат). Получен диплом I степени за представление проекта в заключительном этапе выставки-конференции научнотехнических и творческих работ студентов Южно-Уральского государственного университета в номинации «Техника и технологии» (ПРИЛОЖЕНИЕ А).
Таким образом, в ВКР на основе технических и технологических решений решены все поставленные задачи и достигнута цель - Повышение эффективности процесса термического сверления тонколистовых заготовок комбинированным инструментом и разработка методики назначения режимных параметров процесса.
По результатам работы сформулированы общие выводы:
1 Анализ существующих методов формообразования отверстий в тонколистовых заготовках показал, что имеющиеся способы искусственного увеличения толщины листа являются недостаточно технологичными, так как требуют дополнительных материальных и временных затрат.
2 Для осуществления процесса термического сверления на основе равенства сечений снимаемого припуска спроектирован и изготовлен комбинированный инструмент трех различных геометрий.
3 Экспериментально установлено, что геометрия и конструкция применяемого при термическом сверлении инструмента и режимные параметры процесса оказывают влияние на величину осевой силы: увеличение числа рабочих ступеней инструмента приводит к уменьшению осевой силы, в то время как повышение режимных параметров процесса приводит к ее увеличению.
4 Разработанная эмпирическая математическая модель высоты нижней отбортовки, которая показывает, что толщина листа заготовки и частота вращения инструмента являются значимыми факторами с уровнем значимости 95%. Математическая модель позволяет управлять высотой нижней отбортовки при выборе частоты вращения инструмента.
5 На базе метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS проведено моделирование напряженно-деформированного состояния инструмента и заготовки. Установлено, что значения напряжений и деформаций инструмента и заготовки не превышают своих предельных значений . Установлено, что вследствие пластической деформации заготовки микротвердость поверхности в зоне пластического деформирования увеличена (наклеп). Глубина наклепанной структуры 35 мкм. Расчет точности сформированных комбинированным инструментом отверстий показал разброс диаметральных значений в пределах d0TB = 4,41 1 1 1 + 0, 1 0 65 м м .
6 Методика назначения режимных параметров процесса гарантирует обеспечение минимально необходимой длины рабочего участка и уменьше-
ние прогиба заготовки от воздействия возникающей со стороны инструмента осевой силы.
7 По исследуемой теме ВКР написано 4 научные статьи. Две статьи опубликованы в журнале, индексируемом в базе Scopus (3-й квартиль), две статьи проиндексированы в РИНЦ. Материалы по теме ВКР докладывались на двух научных конференциях: Международная научно-техническая конференция «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении 2020» (г. Севастополь), а также на XIII ежегодной научно-практической конференции молодых специалистов имени Серафима Афонина (г. Выкса, онлайн-формат). Материалы по теме ВКР также отправлялись на I Всероссийский конкурс научных, учебных и творческих работ по трем номинациям, где заняли I, II и II места соответственно (г. Саратов, онлайн-формат). Получен диплом I степени за представление проекта в заключительном этапе выставки-конференции научнотехнических и творческих работ студентов Южно-Уральского государственного университета в номинации «Техника и технологии» (ПРИЛОЖЕНИЕ А).
