Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор способов получения заготовок гаек и формирования внутренних резьб методами пластического деформирования 7
1.1. Особенности процессов изготовления заготовок гаек 7
1.2. Основные проблемы формирования отверстия заготовок гаек 14
1.3. Перспективные способы формирования внутренних резьб 16
2. Исследование энергосиловых параметров процесса холодной объемной штамповки заготовок гаек 30
2.1. Математическое моделирование процесса холодной объемной штамповки заготовок гаек с использованием вариационного метода 30
2.2. Экспериментальные исследования процесса холодной объемной штамповки заготовок гаек 58
3. Исследование процесса формирования торцевых углублений в заготовках гаек в условиях возникновения запертого масляного слоя 63
3.1. Условия возникновения запертого масляного слоя 63
3.2. Экспериментальные исследования влияния усилий штамповки на развитие запертого масляного слоя 66
3.3. Определение условий, исключающих образование кольцевых канавок в зоне отверстия заготовки гайки 70
4. Совершенствование технологии и конструкций инструмента для формирования внутренних резьб пластическим деформированием 78
4.1. Повышение качества резьб, формируемых пластическим деформированием, за счет уменьшения «кратера»-складки 78
4.2. Экспериментальные исследования комбинированного способа формирования резьбы 89
4.3. Определение диаметра отверстия заготовки под формирование резьбы комбинированным способом 94
4.4. Повышение надежности работы бесстружечных метчиков за счет увеличения упругих свойств 101
Общие выводы 105
Приложения 117
- Основные проблемы формирования отверстия заготовок гаек
- Экспериментальные исследования процесса холодной объемной штамповки заготовок гаек
- Экспериментальные исследования влияния усилий штамповки на развитие запертого масляного слоя
- Экспериментальные исследования комбинированного способа формирования резьбы
Введение к работе
В конструкциях деталей машин, металлоконструкциях, элементах сооружений широкое применение находят резьбовые соединения, основным рабочим элементом которых является резьбовой профиль. Соединения представляют собой систему стержневое изделие-гайка. Среди крепежных изделий гайки составляют 30-35 % от общего количества выпускаемой продукции. От качества резьбы зависит надежность соединения и его безаварийная работа. Технология изготовления гаек состоит из двух основных операций: получение заготовки гайки и формирование внутреннего резьбового профиля.
В настоящее время наиболее эффективным способом получения заготовок гаек МЗ - М24, обеспечивающим минимальный отход материала и высокое качество изделий, является холодная объемная штамповка на высокопроизводительных многопозиционных пресс-автоматах, процесс штамповки на которых состоит из трех, четырех или пяти переходов.
Большое значение при выдавливании резьбы бесстружечными метчиками, особенно с мелкими шагами, имеет состояние внутренней цилиндрической поверхности отверстия заготовки гайки. Наличие на ней различного рода дефектов (риски, кольцевые канавки и т.п.) могут вызвать провалы резьбы по внешнему и среднему диаметрам на нескольких витках, что приведет к переводу изделия в брак. Поэтому совершенствование технологии изготовления внутренних резьб пластическим деформированием должно быть связано с совершенствованием технологии штамповки заготовок гаек.
Наиболее распространенным способом изготовления внутренних резьб в настоящее время является нарезание с использованием режущих метчиков. Однако формирование резьбы бесстружечными метчиками имеет ряд преимуществ по сравнению резьбонарезанием: повышается качество резьбы, возникают возможности повысить скорость обработки, повышается стой-
кость резьбоформирующего инструмента, что в конечном итоге обеспечивает снижение затрат на производство.
Исследования, направленные на совершенствование процессов штамповки заготовок гаек, нашли свое отражение в работах Навроцкого Г.А., Головина В.А., Мисожникова В.М., Паршина В.Г., Журавлева А.З., Бутакова СВ., Артюхина В.И. и др. Однако в этих работах не было уделено должного внимания качеству отверстия в заготовках гаек, что очень важно для формирования резьбовой поверхности бесстружечными метчиками, отсутствуют четкие рекомендаций по выбору усилий штамповки, обеспечивающих получение отверстия без поверхностных дефектов.
Вопросы пластического деформирования резьбы достаточно широко изучались отечественными учеными Житницким СИ., Урлаповым Г.П., Боя-рунасом A.M., Меньшаковым В.М., Рыжовым Э.В., Якухиным В.Г., Андрей-чиковым О.С, Рикманом Б.М., Проскуряковым Ю.Г., Тороповым Г.А. и др. Основное внимание было уделено проблемам изготовления и совершенствования конструкции бесстружечных метчиков, опыту их эксплуатации, свойствам получаемой резьбы и т.д. Однако в известных работах так и не была решена в полном объеме основная проблема, препятствующая широкому внедрению пластического формирования внутреннего резьбового профиля -устранение на выступах резьбы «кратера»-складки, негативно сказывающегося на характеристиках резьбы.
Целью диссертационной работы является совершенствование технологии изготовления гаек с резьбой, получаемой пластическим деформированием, за счет поиска и использования рациональных режимов и конструктивно-технологических параметров процесса штамповки заготовок гаек и изменения конструкции резьбоформирующего инструмента, применение которого обеспечивает повышение качества резьбы.
Основными проблемами и препятствиями к широкому внедрению бесстружечных метчиков в производстве метизов являются недостаточная изу-
6 ченность процессов резьбоформирования, отсутствие комплексных исследований, направленных на установление связей качества используемых заготовок гаек и получаемой пластически деформированной резьбы. В связи с этим данная работа направлена на решение следующих задач:
1. Разработать математическую модель процесса окончательной штам
повки шестигранника и формирования торцевых углублений в заготовках га
ек. Используя разработанную модель, выполнить расчеты энергосиловых па
раметров процессов штамповки заготовок гаек из различных сталей в зави
симости от конструктивно-технологических параметров (глубина внедрения
пуансона, угол наклона образующей конуса и др.) Экспериментально прове
рить результаты теоретических исследований.
Установить причины возникновения запертого масляного слоя (ЗМС) при формировании торцевых углублений под отверстие в заготовках гаек. Установить условия, при которых развитие запертого масляного слоя под действием деформирующего инструмента приводит к образованию продольных рисок и кольцевых канавок на стенках отверстия штампуемых заготовок гаек.
Разработать новые конструкции метчиков, применение которых обеспечивает получение качественной резьбы и повышение срока службы.
1. ОБЗОР СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ГАЕК И ФОРМИРОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ РЕЗЬБ МЕТОДАМИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ
Основные проблемы формирования отверстия заготовок гаек
Для получения качественной резьбы при ее формировании пластическим деформированием к заготовке должны предъявляться жесткие требования в части отсутствия дефектов на поверхности отверстия заготовки гайки. Если при нарезании резьбы практически все поверхностные дефекты заготовки удаляются вместе со стружкой и не оказывают существенного влияния на качество резьбовой поверхности, то при пластическом резьбоформирова-нии поверхностные дефекты не удаляются, а лишь частично закатываются в резьбу. Это связано с тем, что при пластическом формировании резьбы происходит перераспределение материала заготовки в пространстве с получением впадин и выступов без удаления части обрабатываемого материала. Наиболее ощутимо влияние таких дефектов, как кольцевые канавки и продольные риски, трещины и др. В случае, если в том месте, где должен быть сформирован выступ резьбы, находится сильно развитая кольцевая канавка, то материала деформируемого слоя заготовки недостаточно для формирования полного профиля резьбы. Наличие кольцевых канавок на внутренней цилиндрической поверхности заготовок гаек может привести к локальным "провалам" резьбы даже в случае, когда диаметр заготовки гайки соответствует требуемому.
При ХОШ заготовок гаек используются различные смазочно-охлажда-ющие технологические средства (СОТС), применение которых обеспечивает снижение усилий штамповки и повышение стойкости технологического инструмента. Однако при определенных условиях в процессе штамповки гаек смазочный материал запирается между инструментом и заготовкой. На это явление впервые обратил внимание В.И. Артюхин [8].
Запирание масляного слоя имеет как положительную, так и отрицательную стороны. С одной стороны разделение инструмента и заготовки масляным слоем обеспечивает повышение срока службы инструмента, так как деформация происходит в условиях жидкостного трения. С другой стороны при превышении усилиями штамповки некоторых предельных значений происходит вытеснение запертого масляного слоя за пределы диаметра формируемого отверстия с образованием кольцевых канавок, что ухудшает качество отверстия заготовки и сказывается на качестве резьбы.
Отсутствие смазочного слоя между контактирующими поверхностями заготовки и штампового инструмента или его недостаточное количество в зоне деформации ведет к протеканию процесса штамповки в условиях полусухого, граничного или сухого трения, что приводит к нарушениям технологического процесса, связанным с привариванием заготовки к инструменту, снижением стойкости штамповочного инструмента; негативно отражается на качестве получаемых изделий. В работе [8] впервые предложена схема формирования Основным ее недостатком является то, что она не учитывает влияние конструктивных параметров штампового инструмента и влияние усилий штамповки на развитие запертого масляного слоя.
Исследованию вопроса создания условий для жидкостного трения в зоне деформации, а так же проблемам обработки слоистых материалов были посвящены работы Г.Л. Коломогорова, Е.И. Исаченкова, Казаченка В.И., Г.Э. Аркулиса, В.Г. Дорогобида [18-21]. Существуют способы, позволяющие осуществлять процесс холодной объемной штамповки заготовок гаек в условиях жидкостного трения [22]. Отсутствие четких рекомендаций относительно конструктивных и технологических характеристик процесса, которые могли бы позволить на стадии разработки технологических процессов обеспечить протекание процесса штамповки в условиях жидкостного трения и, вместе с тем, получать высокое качество отверстия заготовки, затрудняет использование данных технических решений.
Установление связи между конструктивными параметрами штамповых инструментов, количеством подаваемого в зону деформации смазочного материала и усилиями штамповки позволит решать подобные задачи, что приведет к снижению брака при производстве гаек с резьбой, полученной пластическим деформированием, по причине некачественных заготовок гаек.
В настоящее время существуют различные способы формирования внутренних резьб [23-29]. Основными из них являются способы, связанные с формированием резьбы обработкой резанием, и способы, в основу которых положено формирование резьбы пластическим деформированием.
Нарезание - процесс образования резьбовых поверхностей путем срезания поверхностных слоев материала с образованием стружки. К этому спосо бу формирования резьбы относятся изготовление резьбы резьбовыми резцами, резьбовыми гребенками, резьбовыми фрезами, резьбовыми головками с радиальными плашками, резьбовыми головками с тангенциальными плашками, круглыми плашками, режущими метчиками, резьбовыми шлифовальными кругами. Для формирования внутренних резьб используются метчики различных конструкций, например, канавочные метчики, спиральные метчики, ступенчатые метчики, твердосплавные метчики, «шахматные» метчики, бесканавочные метчики, метчики с внутренним подводом смазочно-охлаждающих жидкостей, метчики колокольного типа и др. [25,26, 30].
Пластическое резьбоформирование - процесс образования резьбовых поверхностей без снятия стружки за счет пластического деформирования материала заготовки. Основной способ получения внутренней пластически деформированной резьбы - нанесение резьбового профиля бесстружечными метчиками. Существует большое количество исполнения бесстружечных метчиков, отличающихся материалом, формой и величиной заборного конуса, числом гребней и профилем контура сечения метчика, направлением гребней вдоль оси метчика, величиной затылования, длиной калибрующей части и др. [23,24,26].
Формирование внутренней резьбы пластическим деформированием с использованием бесстружечных метчиков имеет следующие преимущества перед нарезанием резьбы [30-38]: класс точности резьбы в пределах 6-ь8 достигается более стабильно; пластически деформированная резьба имеет меньшие параметры шероховатости, среднее арифметическое отклонение профиля резьбы Ra, полученной пластическим деформированием, составляет 0,040ч-0,630 мкм в отличие от резьбы, полученной резанием, где этот параметр находится в пределах 1,25-1-2,50 мкм.;
Экспериментальные исследования процесса холодной объемной штамповки заготовок гаек
Для экспериментальной проверки результатов теоретических исследований было разработано устройство, позволяющее моделировать процесс штамповки заготовок гаек, состоящее из матрицы 1, пуансона 2 и упора 3 (рис. 2.9). Фотография машины приведена на рис 2.10. В полость между ними помещался свинцовый образец 4 диаметром 22 мм и высотой 20 мм, полученный литьем. Кривая упрочнения, полученная при свободном осаживании свинцового образца, представлена на рис. 2.11.
Устройство помещалось между подвижной и неподвижной траверсами разрывной машины (положение 1, рис. 2.9), работающей в режиме пресса, и происходило формирование углубления на торцовой поверхности образца (положение 2, рис. 2.9). Глубины выемок и усилие пресса приведены в таб лице 2.16. Измерение глубины внедрения пуансона в свинцовый образец проводили с помощью диаграммного устройства. После достижения определенной глубины испытательная машина отключалась, подвижная траверса отодвигалась. Образец вынимался из матрицы и распиливался (рис. 2.12).
На основании полученных данных были построены графики зависимостей экспериментально полученных и расчетных значений усилий Р формирования выемки в свинцовом образце от глубины внедрения пуансона Ah (рис. 2.13). 1. Разработана математическая модель процесса холодной объемной штамповки заготовок гаек. Математическая модель базируется на вариационном методе в дискретной постановке. Для численной реализации математической модели был разработан программный продукт в среде «Delphi-б», позволяющий, используя численные методы определять минимум полной работы деформации и усилия штамповки. Проведена экспериментальная проверка теоретических результатов, для чего спроектировано и изготовлено специальное устройство. Результаты экспериментов показали, расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышает 7 %. 2. Используя разработанную математическую модель, исследовано влияние глубины внедрения пуансона и угла наклона образующей конуса пуансона на усилие штамповки. Было установлено, что угол при вершине конуса пуансона, лежащий в пределах от 162 до 168, обеспечивает минимальное усилие штамповки. Результаты представлены в виде таблиц и графиков, удобных в практическом использовании.
В процессе формирования резьбы бесстружечными метчиками особое внимание должно уделяться состоянию поверхности отверстия заготовки гайки. Наличие на ней различного рода дефектов в виде рисок, кольцевых канавок и т.п. негативно отражается на качестве получаемой пластически деформированной резьбы [90, 91, 92]. Особенно велико влияние этих дефектов при формировании резьб с мелкими шагами.
При исследовании процесса формирования кольцевых канавок и рисок было установлено следующее: основной причиной их появления является развитие и прорыв запертого масляного слоя. Под запертым масляным слоем 4 понимается смазочный материал, который запирается между телом заготовки 3 и пуансоном 1 (рис. 3.1). Он принудительно подается в зону обработки, ограниченную пуансоном 1 и заготовкой 3, которая помещается в матрице 2.
Процесс штамповки в условиях возникновения и развития запертого масляного слоя можно условно разбить на две стадии [18, 93]: 1. На первой стадии при перемещении пуансона давление в смазочном материале возрастает до предела текучести обрабатываемого материала от. Масляный слой, растекаясь по торцевой поверхности пуансона, не выходит на боковую поверхность. 2. На второй стадии запертый масляный слой выдавливается с торцевой поверхности пуансона на боковую поверхность заготовки гайки. При этом
Процесс деформирования в условиях возникновения запертого масляного слоя происходит следующим образом. При увеличении давления происходит сжатие разделительного слоя без значительного увеличения диаметра стенок формируемого отверстия, процесс протекает в условиях упругой деформации. В виду того, что реальные процессы штамповки заготовок гаек на холодновысадочных автоматах осуществляется со скоростями V=30-rl00 с 1 [8] при уменьшении толщины разделительного слоя его несущая способность возрастает и становится достаточной для начала пластической деформации заготовки [94, 95]. При перемещении пуансона в полость, заполненную смазочным материалом, происходит пластическая деформация заготовки гайки, причем деформирующей средой является запертый масляный слой. Процесс деформации характеризуется увеличением глубины отверстия, сопровождающимся постоянным уменьшением толщины запертого масляного слоя. Это связано с тем, что давление в смазочном слое одинаково в каждой точке среды, и деформация протекает не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлениях. Поэтому на поверхности контакта запертого масляного слоя и заготовки формируется полость, выходящая за пределы формируемого отверстия в зависимости от величины создаваемого в запертом масляном слое давления, что приводит к образованию дефектов либо в виде кольцевой канавки, либо в виде продольной риски в месте локального прорыва смазочного материала [96].
Экспериментальные исследования влияния усилий штамповки на развитие запертого масляного слоя
Для определения зависимости между усилием штамповки и формируемой кольцевой канавки была проведена серия экспериментов с использованием устройства для моделирования процесса холодной объемной штамповки (рис. 2.8).
В качестве образцов использовались свинцовая заготовка с предварительно сформированной выемкой. Выемка была сформирована пуансоном с углом при вершине конуса а=150 и диаметром основания конуса Do=10,66 мм, вдавливанием его в тело заготовки на глубину 1 мм. Затем полученная выемка заполнялась индустриальным маслом.
После этого в заготовку внедрялся пуансон с углом при вершине конуса а=170 и диаметром основания конуса D0= 10,66 м, причем штамповое усилие изменялось в пределах от 18000 до 26000 Н с шагом 2000 Н (см. табл. 3.1). После каждого шага пуансон извлекался из образца и проводился замер высоты полученной полости. Затем брался следующий образец и в него внедрялся пуансон с усилием на 2000 Н больше предыдущего, причем объем масла, заполняющего выемку оставался на всем протяжении экспериментов постоянным.
Высота формируемой полости определялась по следующей методике. После приложения требуемого усилия образец со сформированной полостью распиливался по меридиональной плоскости. Затем к нему плотно прикладывался специально изготовленный шаблон в виде сечения пуансона (по продольной плоскости) с углом при вершине конуса, соответствующим углу инструмента. Расстояние (по вертикальной оси заготовки гайки) между поверхностью сформированной полости и нижней точкой шаблона измерялось с помощью инструментального микроскопа.
Результаты измерений приведены в таблице 3.1. На основании полученных экспериментальных данных был получен график зависимости высоты формируемой полости от штампового усилия (рис. 3.2). Полученная графическая зависимость по виду соответствует экспоненциальной зависимости. Графики подобного вида были получены при исследовании процессов изменения толщины смазочного слоя при свободной осадке [18], однако при свободной осадке кривая в большей степени асимптотически приближалась к оси ординат. Это связано с тем, что при осадке наблюдается свободное вытекание излишков смазочного материала через зазоры между инструментом и заготовкой, а в исследуемом примере вытеканию смазки препятствуют боковые стенки формируемого отверстия. Аналогичные эксперименты были проведены для стали Юкп. Шаг изменения штампового усилия составлял 10000 Н. Полученные зависимости приведены в таблице 3.2. и на рис. 3.3.
Определение необходимого объема смазочного материала, подаваемого в штамповую зону, представляет собой важную задачу при проектировании технологических процессов производства заготовок гаек. В случае, когда подаваемый объем смазки будет недостаточным, процесс штамповки будет происходить в условиях граничного или сухого трения, разделение смазочным слоем пуансона и заготовки будет неполным, что неизбежно приведет к увеличению интенсивности износа штампового инструмента и снижению его стойкости. Если в штамповой зоне объем смазочного материала превысит требуемое количество, то при меньшем усилии по сравнению с нормальным штамповым усилием произойдет выход формируемой полости за пределы боковых стенок отверстия заготовки гайки, что приведет к появлению кольцевых рисок на образующих отверстия.
Определение объема смазочного материала в промышленном производстве заготовок гаек представляет достаточно сложную задачу, так как эта величина зависит от большого количества технологических (тип используемого оборудования, давление подаваемой жидкости, вязкость жидкости и др.) и конструктивных (тип разбрызгивающих форсунок, схема подачи сма-зочно-охлаждающей жидкости в зону деформирования и др.) параметров.
В общем случае можно принять, что объем смазочного слоя равен разности объема жидкости Vj, заполняющей коническую впадину в заготовке гайки, и объемом V2 конической поверхности пуансона, внедряемого в заготовку (3.1).
Экспериментальные исследования комбинированного способа формирования резьбы
Для проверки правильности выбора глубины «кратера»-складки при расчетах, угла при вершине профиля черновой ступени у, возможности получения резьбового профиля без «кратера»-складки были проведены экспериментальные исследования с использованием продольно-строгального станка мод. 7231А (рис. 4.9). Были изготовлены образцы из свинца и алюминия, которые закреплялись в тисах продольно-строгального станка. Свинцовые образцы представляли собой полученные отливкой предварительно обжатые цилиндры диаметром 40 мм и высотой 15 мм с лысками, предназначенными для облегчения установки образцов в тисах. Алюминиевые образцы - полученные отливкой предварительно обжатые параллелепипеды высотой 20 мм, шириной 25 мм и длиной 45 мм. Для эксперимента использовали спроектированный и изготовленный специальный комплект инструментов для продольно-поперечного выдавливания, состоящий из инструмента № 1 (рис. 4.10), резьбовой профиль которой идентичен профилю черновой ступени разработанного метчика, инструмента №2 (рис. 4.10), профиль режущей кромки зубьев которой выполнен в виде сопряженного равнобедренного треугольника с равнобокой трапецией, и инструмента №3 (рис. 4.11), резьбовой профиль соответствует профилю резьбы готового изделия. Высота резьбового профиля на всех трех инструментах составляла 4 мм. Эксперимент состоял из четырех этапов. На первом этапе на установленных в тисах образцах пластическим деформированием наносился резьбовой профиль инструментом № 3 с углом при вершине профиля резьбового выступа у=60 на глубину 0,625 высоты резьбового выступа - 2,5 мм. Формирование выступа осуществлялось поступательным движением инструмента относительно образцов с постепенным внедрением инструмента в тело образца с подачей 0,1 мм/дв. ход. Затем были проведены измерения высоты образовавшегося «кратера»-складки для проверки теоретических данных, полученных В.М. Меньшаковым, Г.П. Урлаповым и B.C. Середой, а также экспериментальных результатов A.M. Боярунаса. Измерения производились с помощью инструментального микроскопа.
Были получены следующие данные: - глубина «кратера»-складки на свинцовом образце составила 0,9 мм или 0,225 высоты резьбового выступа; - глубина «кратера»-складки на алюминиевом образце составила 0,7 мм или 0,175 высоты резьбового выступа. Это подтверждает правильность выбранного среднего значения глубины «кратера»-складки для теоретических исследований. На втором этапе на установленных в тисах образцах пластическим деформированием наносился резьбовой профиль инструментом № 1 с углом при вершине профиля резьбового выступа у=42 на глубину 0,625 высоты резьбового выступа - 2,5 мм. Формирование выступа осуществлялось поступательным движением инструмента относительно образцов с постепенным внедрением инструмента в тело образца с подачей 0,1 мм/дв. ход. Полученный профиль приведен на рис. 4.13. На следующем этапе инструментом № 2 производилось срезание выступов сформированного инструментом № 1 «кратера»-складки (рис. 4.14), причем угол среза был определен по формуле (4.13). т = 105. На последнем этапе инструментом № 3 осуществлялось окончательное формирование резьбовой поверхности пластическим деформированием с углом при вершине резьбового выступа 60. После обработки были проведены измерения высоты образовавшегося «кратера»-складки. Были получены следующие данные: Рис. 4.13. Выступ резьбового профиля с «кратером»-складкой, сформированный инструментом № 1 на свинцовом образце - глубина «кратера»-складки на свинцовом образце составила 0,2 мм или 0,05 высоты резьбового выступа на инструменте № 1 (рис. 4.15); - глубина «кратера»-складки на алюминиевом образце составила 0,1 мм или
