Оптимизация параметров новых станков резьбонарезания метчиками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Тремасов, Алексей Петрович

• Тремасов, Алексей Петрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тремасов, Алексей Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СТАНКОВ ДЛЯ

НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ В ГАЙКАХ МЕТЧИКОМ.

1.1. Анализ требований при изготовлении внутренней резьбы в гайках.

1.1.1. Конструктивные различия резьбы в гайках.

1.1.2. Точность резьбы и требования к гайконарезному оборудованию.

1.2. Обзор инструментов и методов нарезания резьбы в гайках.

1.2.1. Анализ конструкций гаечных метчиков.

1.2.2. Кинематика резания в гайконарезных станках.

1.3. Производительность и анализ конструкций гайконарезного оборудования.

1.3.1. Обзор и анализ гайконарезного оборудования.

1.3.2. Обзор гайконарезных станков с безреверсной работой метчика.

1.3.3. Анализ потерь производительности при обработке гаек.

1.4. Предпосылки создания нового станка для непрерывного нарезания резьбы в гайках.

1.4.1. Новый метод для непрерывного нарезания резьбы в гайках метчиком с использованием приводных шнеков.

1.4.2. Задачи, решаемые при создании станка на основе новой схемы непрерывного нарезания резьбы в гайках.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ КИНЕМАТИКИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СТАНКА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ В ГАЙКАХ ПРЯМЫМ МЕТЧИКОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИВОДНЫХ

ШНЕКОВ.

2.1. Кинематические параметры новой схемы и расположение элементов в конструкции рабочего узла.

3 стр.

2.2. Анализ кинематических и силовых параметров нового станка.

2.2.1. Теоретическое исследование производительности элементов рабочего узла и определение области использования нового станка.

2.2.2. Методика выбора кинематических параметров рабочего узла.

2.2.3. Анализ распределения мощности в приводах метчика и направляющей трубы.

2.3. Техническая производительность, интенсификация режимов резания.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ РАБОЧЕГО УЗЛА НОВОГО СТАНКА.

3.1. Конструкции и применение шнеков в промышленности.

3.2. Анализ конструкции нового шнека.

3.2.1. Выполняемые функции и параметры конструкции.

3.2.2. Шаг винтовой поверхности.

3.2.3. Внутренний диаметр шнека.

3.2.4. Ширина витка шнека.

3.2.5. Расчет параметров опор шнека.

3.3. Исследование распределения нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик и оптимизация конструкции рабочего узла.

3.3.1. Анализ вариантов конструкций рабочего узла.

3.3.2. Цель исследования распределения момента в зубчатом зацеплении шнек-хвостовик.

3.3.3. Методика и алгоритм программы расчета распределения нагрузки в многопоточной зубчатой передаче шнек-хвостовик.

3.3.4. Крутильная податливость участков шпека.

3.3.5. Распределение вращающего момента в зацеплении шнек-хвостовик.

3.3.6. Оптимизация конструкции зацепления шнек-хвостовик.

4 стр.

3.3.7. Анализ схем зацепления шнека с внешним приводным элементом.

3.3.8. Анализ долговечности работы зацепления шнек-хвостовик.

3.4. Анализ механизма ориентации заготовок на новом станке.

3.5. Экономические показатели гайконарезного модуля, созданного на основе исследуемой схемы.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Экспериментальный стенд, имитирующий четырехпоточную механическую передачу.

4.1.1. Условия проведения опытов.

4.1.2. Экспериментальные данные по распределению вращающего момента между парами пластин в стенде.

4.1.3. Определение крутильной податливости пружины.

4.1.4. Определение изгибной податливости пластины и приведение ее к крутильной податливости.

4.1.5. Определение коэффициента тарировки сигнала с тензометрического датчика.

4.1.6. Обработка экспериментальных данных.

4.2. Исследование производительности и выявление оптимальной формы ориентирующей части направляющей трубы.

4.3. Моделирование работы нового станка.

4.3.1. Модели механизмов в программной среде и разработка конструкций новых машин.

4.3.2. Обоснование выбора программного модуля и цели компьютерного эксперимента.

4.3.3. Статическая компьютерная модель. Этапы создания и подготовка к динамическому моделированию.

4.3.4. Достоверность динамического моделирования.

5 стр.

4.3.5. Моделирование работы нового гайконарезного станка с устройствами загрузки и выгрузки деталей.

4.3.6. Анализ результатов моделирования.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация параметров новых станков резьбонарезания метчиками»

Конкуренция изделий машиностроения является одной из важных причин поиска новых решений при создании технологического оборудования. В металлообработке решение этой задачи определяется, в первую очередь, созданием высокопроизводительного оборудования: разработка станков на основе новых, более эффективных схем и методов резания, в том числе и при получении резьбы. Почти половина всех деталей машин имеет резьбовые поверхности [1]. С другой стороны известно, что критерием оценки металлорежущего оборудования является его производительность, точность, надежность. Указанные проблемы поиска новых схем обработки касаются и гайконарезного оборудования.

Для получения резьбы в гайках общего назначения в настоящее время используются два способа формообразования резьбы: деформирование (накатка, выдавливание) и резание. Метод нарезания резьбы применяется к материалам, не допускающим процесса деформирования, в определенных условиях он так же относительно недорог, проще в реализации. Представленная работа посвящена получению резьбы в гайках методом нарезания метчиком.

В промышленности существует ограниченное число высокопроизводительного специализированного гайконарезного оборудования, использующего способы, заложенные несколько десятилетий тому назад. Для таких станков остаются актуальными задачи получения точных гаек и автоматизация смены инструмента. Известно, что с целью увеличения эффективности процессов механической обработки необходимо создавать станки с высокой степенью автоматизации, себестоимость которых при этом должна оставаться относительно низкой [2], [6]. В настоящее время разработка схем и методов обработки осуществляется благодаря совершенствованию режущего инструмента, успехам в области технологии металлообработки, а так же применения новых конструкционных материалов, обеспечивающих при равной прочности снижение массы оборудования и удовлетворяющих требованиям необходимой точности, жесткости и надежности работы узлов станка.

Этим обусловлена целесообразность научной и практической работы в указанном направлении.

В настоящей диссертационной работе исследуется возможности создания станка на основе новой схемы непрерывного нарезания резьбы в гайках прямым метчиком [3] (приложение 1). Схема предложена на кафедре «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н.Э. Баумана (автор к.т.н., доцент Борисов С.Н.). Новая схема объединяет ряд положительных свойств известных методов: непрерывность процесса резания, жесткая фиксация метчика в осевом и радиальном направлениях, минимальное количество элементов в кинематических цепях.

Создание станка, реализующего в едином процессе нарезания резьбы в гайках указанные преимущества, связано с решением ряда задач теоретического и практического характера: исследование кинематики и обоснование оптимальной кинематической структуры нового станка, оптимизация основных конструктивных параметров, выявление области эффективного применения данного станка на производстве.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Тремасов, Алексей Петрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Производство гаек в машиностроении имеет массовый характер, при этом наиболее ответственным этапом при обработке гайки является нарезание резьбы. В поисках путей создания оборудования с более высокими техническими показателями при обработке гаек на этом этапе, в работе поставлена и решена задача объединения в едином процессе нарезания резьбы ряда современных схем и методов обработки: метода непрерывной обработки, схемы жесткой фиксации метчика, схемы попутного вращения инструмента и заготовки в процессе обработки. Показана возможность создания станка на основе нового метода.

2. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования возможности создания станка на основе метода непрерывного нарезания резьбы в гайках прямым метчиком с использованием приводных шнеков, предложенного на кафедре «Металлорежущие станки» МГТУ им. Н.Э. Баумана, выявили область эффективного использования станка на производстве. Станок на основе нового метода рекомендуется для применения в области нарезания резьбы в гайках в серийном и крупносерийном производстве, при обработке гаек типоразмера Ml6 и более.

3. Кинематический анализ исполнительных элементов рабочего органа станка выявил две возможные схемы обработки: встречной и попутной. Предпочтительным видом обработки для нового метода является попутная обработка, при которой мощность в зону резания передается по приводной цепи направляющей трубы, метчик при этом будет являться ведомым элементом. Разработана методика расчета кинематических параметров элементов рабочего органа на основе выявленных зависимостей.

4. Анализ конструкции рабочего узла нового станка позволил предложить аналитические зависимости, необходимые для расчета проектируемых элементов: шнеков, хвостовика метчика и направляющей трубы. Эти зависимости были использованы при проектировании экспериментального гайконарезного модуля.

5. Выявлено наличие значительной неравномерности распределения нагрузки в зацеплении шнек-хвостовик при использовании неоптимизированной конструкции шнека. При использовании такой конструкции значительно снизились бы долговечность и надежность работы нового станка, учитывая то, что зубчатый хвостовик имеет относительно малый диаметр.

6. Предложенная в диссертации математическая модель и разработанная программа по расчету распределения нагрузки в многопоточных механических передачах в зависимости от податливостей элементов зацепления показали, что при неоптимизированной конструкции около 70% от нагрузки резания приходится на первый участок зацепления, расположенный со стороны зоны нарезания резьбы.

7. Выявлена возможность и разработана методика для оптимизации конструкции шнека по параметру равномерного распределения нагрузки по его виткам. Равномерное распределение нагрузки делает возможным повышение в несколько раз долговечности работы зацепления шнек-хвостовик. Проведен анализ распределения нагрузки в зацеплении в зависимости от места приложения внешнего момента к приводному шнеку и предложены пути снижения неравномерности распределения при других схемах зацепления.

8. Исследован процесс ориентации заготовок в новом станке при перемещении их из загрузочного устройства к режущей части метчика. На основе проведенного анализа предложены оптимальная форма и методика проектирования ориентирующей части трубы для n-гранных заготовок.

9. Простая кинематическая структура станка и компактность рабочего узла делают возможным снижение себестоимости готовой гайки. Благодаря многофункциональности шнеков в новой конструкции упрощается кинематика станка по сравнению с существующими в производстве гайконарезными станками. Предварительные расчеты показывают, что при годовой производительности, гаек Qr = 11178000 шт (М16), годовой экономический эффект составит 567649 руб.

10.Экспериментально подтверждена достоверность математической модели, использованной для расчета неравномерности распределения нагрузки в многопоточных механических передачах. На экспериментальном стенде была проведена проверка теоретических выводов применительно к 4-х поточному механическому зацеплению. Расхождение теоретических и экспериментальных значений неравномерности распределения нагрузки составила не более 10%. 11 .Исследования на экспериментальном стенде, имитирующего работу направляющей трубы, выявил оптимальную форму ориентирующей части трубы. Эта же форма была обоснована ранее теоретически. Наиболее высокой пропускной способностью обладает лепестковый профиль.

12. На основе использования программных приложений, позволяющих произвести динамическое моделирование работы станка с устройствами загрузки и выгрузки деталей, был проведен программный эксперимент. Достоверность результатов моделирования была подтверждена экспериментально на ответственных этапах цикла обработки (процесс загрузки на виброзагрузочном устройстве, процесс ориентации гаек в направляющей трубе).

13. Динамическое моделирование работы нового станка в программной среде подтвердило достоверность теоретических положений, предложенных при исследовании кинематики и особенностей конструкции узлов станка.

14. Положительный эффект использования динамической модели при анализе работы данного станка позволил предложить методику моделирования работы механизмов различного значения. ,

15. На основе полученных результатов исследований кинематики и конструкции нового станка была предложена методика проектирования его основных узлов. Используя эту методику на кафедре «Металлорежущие станки» был спроектирован специальный модуль, который можно применить в производстве в качестве дополнительного узла универсального оборудования. Чертежи разработанного экспериментального модуля для непрерывного нарезания резьбы в гайках приняты в бюро оборудования и инструмента отдела механической обработки ОГТ ЗАО «ЗЭМ» РКК «Энергия» с целью рассмотрения на предмет последующего внедрения этого модуля в производство.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тремасов, Алексей Петрович, 2008 год

1. Якухин В.Г. Оптимальная технология изготовления резьб — М.: Машиностроение, 1985. 184 с.

2. Потейко А.Д., Тимофеев Ю.В., Мазур Л.Е. Эффективность процессов механической обработки в массовом производстве Киев: Техника, 1980. - 160 с.

3. А. с. 402436 (СССР). Устройство для непрерывного нарезания резьбы / С.Н. Борисов // БИ. -1974.-№42.

4. Якухин В.Г., Ставров В.А. Изготовление резьбы: Справочник М.: Машиностроение, 1989.- 192 с.

5. Дьячков В.Б., Кабатов Н.Ф., Носипов М.У. Специальные металлорежущие станки общемашиностроительного применения: Справочник — М.: Машиностроение, 1983.-288 с.

6. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов —М.: Машиностроение, 1973.-640 с.

7. Алексеев Г. А., Аршинов В. А., Смольников Е. А. Расчет и конструирование режущего инструмента— М.: Машгиз, 1951.— 602 с.

8. Поляков Д.И., Костин А.И. Производство крепежных изделий М.: НИИМаш, 1975.-25 с.

9. Производство метизов / Х.С. Шахпазов, И.Н. Недовизий, В.И. Ориничев и др. М.: Металлургия, 1977.-392 с.

10. Неразъемные соединения в режущих инструментах: Учебное пособие / В.П. Покровский, А.И.Овчинников, С.Е.Коваленко и др.; Под ред. А.Е. Древаля; МГТУ им. Н.Э.Баумана. М., 1997 - 50 с.

11. Фрумин Ю.Л. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент — М.: Машиностроение, 1977.-183 с.

12. Автоматы и автоматические линии. Основы проектирования / Л.И. Волчке-вич, М.М.Кузнецов, Б.А. Усов и др.; Под ред. Г.А. Шаумяна.- М.: Высшая школа, 1976.-230 с.

13. Щуров И.А., Попов М.Ю., Болдырев И.С. Расчет напряжений и деформаций метчиков // Известия Челябинского научного центра. — 1999.— №2.— С. 50 53.

14. Грановский Г.И. Кинематика резания -М.: Машгиз, 1953.—304 с.

15. Древаль А.Е. Расчет и конструирование метчиков: Учебное пособие М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1979.- 32 с.

16. Фрумин Ю.Л. Вспомогательный инструмент к агрегатным станкам и автоматическим линиям —М.: Машиностроение, 1970,-392 с.

17. Якушев А.И., Мустаев Р.Х., Мавлютов P.P. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений М.: Машиностроение, 1979.—214 с.

18. Кузнецов М.М., Усов Б.А., Стародубов B.C. Проектирование автоматизированного производственного оборудования М.: Машиностроение, 1987—288 с.

19. Малов А.Н. Загрузочные устройства для металлорежущих станков: Учебное пособие М.: Машиностроение, 1972. — 400 с.

20. Справочник технолога-машиностроителя; В 2 томах / Под ред. А.Г.Косиловой, Р.К.Мещерякова. 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986.- Т.2. — 496 с.

21. Производство зубчатых колес: Справочник / С. Н. Калашников,

22. А. С. Калашников, Г. И. Коган и др.; Под общ. ред. Б. А. Тайца. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 464 с.

23. Машиностроение: Энциклопедический справочник; В 16-и т.- М.: Машгиз, 1949.- Т.9: Механизмы в технике / С.А. Акопов, И.И. Артоболевский, Н.С. Черкан и др.; Под общ. ред. Е.А. Чудакова -1209 с.

24. Таурит Г.Э., Пуховский Е.С., Добрянский С.С. Прогрессивные процессы резьбоформирования. Киев: Техника, 1975.- 244 с.

25. Обработка внутренней резьбы на станках с ЧПУ// Стружка: Информационный журнал по металлообработке (М).- 2002 —№1.— С. 16-19.

26. Фрумин Ю.Л. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент // Резьба: Сборник статей — М.: Машгиз, 1964 г.—64 с.26.3аблонский К.И. Зубчатые передачи. Распределение нагрузки в зацеплении — Киев: Техника, 1977. — 208 с.

27. Глухарев Е.Г., Зубарев Н.И. Зубчатые соединения: Справочник — 2-е изд., перераб. и доп. JL: Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1983.-270 с.

28. Ривин. Е.И. Динамика привода станков М.: Машиностроение, 1966-204с.

29. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков — М.: Машиностроение, 1985.-199 с.

30. Металлорежущие станки / В.К. Тепинкичев, Л.В. Красниченко, А.А. Тихонов и др. — М.: Машиностроение, 1972.-472 с.

31. Гайконарезные автоматы высокой производительности // Станкоимпорт Ревю (М).- 1986. №84 - С. 13.

32. Кузнецов М.М., Волчкевич Л.И., Замчалов Ю.П. Автоматизация производственных процессов / Под ред. Г.А.Шаумяна. Изд.2-е, перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978. — 431 с.

33. Грудов А.А., Комаров П.Н. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент М.: НИИМаш, 1980. - 64 с.

34. Красноголовцев B.C. Гайконарезное оборудование М.: Машгиз, 1963.— 502 с.

35. Гаркави Л.М. Неравномерность распределения нагрузки по ширине венца шестерни // Повышение несущей способности механического привода. Л.: Машиностроение, 1973.-С.7-12.

36. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. для студентов высш. техн. учеб. заведений М.: Высшая школа, 1991.-383 с.

37. Детали машин: Учеб. для вузов / JI.A. Андриенко, Б.А. Байков, К. Ганулич и др.; Под ред. О.А. Ряховского. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. -544 с.

38. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин М.: Высшая школа, 2000.-447с.

39. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.-591 с.

40. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. 8-е изд., переработ, и доп.; Под ред. И.Н. Жестковой. — М.: Машиностроение, 2001. — Т.1.- 902 с.

41. Медвидь М.В. Автоматические загрузочные ориентирующие устройства и механизмы Киев: Машгиз, 1963. - 300 с.

42. Рабинович А.Н. Автоматическое ориентирование и загрузка штучных заготовок-Киев: Техника, 1968.-293 с.

43. Конструкция и расчет элементов главных линий чистовых клетей сортовых станов/ А.Г. Кузьменко, М.А. Поздняков, С.Н. Борисов и др. // СТАЛЬ (М).— 2006- №4- С. 61-63.

44. Х. Шенк. Теория инженерного эксперимента: Пер. с англ. — М.: Мир, 1972.-384 с.

45. Чистяков В.П. Курс теории вероятности — М.: Наука, 1982.- 256с. 48.Тойберт П. Оценка точности результатов измерений: Пер. с нем. — М.: Энер-гоатомиздат, 1988.— 88 с.

46. Четыркин Е.М., Калихман И.Л. Вероятность и статистика М.: Финансы и статистика, 1982.-320 с.

47. Давыдов Б. JI. Редукторы. Конструкции, расчет и испытания М.: Машгиз, . 1963.-474 с.

48. Практикум по организации и планированию машиностроительного производства. Производственный менеджмент/ Е.В. Алексеева, В.М. Воронин, К.А. Грачева и др.; Под ред. Ю.В. Скворцова. М.: Высшая школа, 2004.-431 с.

49. Усов Б.А., Борисов С.Н. Целевые механизмы и роботы: Методические указания к лабораторным работам / Под ред. А.С. Проникова М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана., 1986.-25 с.

50. Политехнический словарь / Гл. редактор И.И. Артоболевский М.: Советская энциклопедия, 1986. - 607 с.

51. Виртуальное моделирование литейных технологий/VCADmaster: Журнал для профессионалов в области САПР (М).- 2006.- №5 -С.36-43.

52. Стабильность и конкурентоспособность // САПР и Графика (М). 2007.— №1- С. 36-37.

53. Кудрявцев Е.М. Mechanical Dekstop Power Pack: Основы работы в системе -М.: ДМК Пресс, 2001.-544 с.

54. ANSYS Solutions: Инженерно-технический журнал (М).-2007 — №4—52с.

55. Верстак А.В. Анимация в 3Ds Мах8. Секреты мастерства СПб.: Питер, 2006- 512 с.202