Повышение эффективности накатывания резьб (04.10.2010)

Автор: Афонин Андрей Николаевич

Решение данной системы уравнений должно удовлетворять статическим:

граничным условиям, где:

ax, ay, az – направляющие косинусы нормали к элементу поверхности тела; Sx, Sy, Sz – компоненты вектора напряжения S, приложенные к элементу поверхности деформируемой заготовки; (n,u0) и (n,uj) – углы между внутренней нормалью n к контактной поверхности тела Fk и скоростями перемещений инструмента u0 и деформируемого материала uj.

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:

d2 - средний диаметр накатываемой резьбы по среднему сечению, мм; B – ширина ролика, мм; ? – угол конуса резьбы; nр и nд – 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.

- P = 2 мм; - P = 3 мм; - P = 5 мм; - P = 8 мм

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:

где hi - 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 dзаг; Kh – коэффициент высоты выдавленного профиля, равный отношению общей высоты выдавленного профиля к глубине внедрения инструмента. Для накатывания наружных резьб Kh 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 hi-1 и

текущего радиального обжатия ?hi при накатывании наружной резьбы М27?2.

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


загрузка...