тернопільський державний технічний університет
імені івана пулюя

СТОЙКО ІГОР ІВАНОВИЧ

УДК 621.01:621.941.01

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТОЧНОСТІ ОБРОБКИ

КРИВОЛІНІЙНИХ ОСЕЙ БАЗУВАННЯМ У ТРЬОХ ЦЕНТРОВИХ ОТВОРАХ

05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

тернопіль – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Офіційні опоненти:

Провідна установа: | доктор технічних наук, професор

Гевко Богдан Матвійович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя (м. Тернопіль),

завідувач кафедри "Технологія машинобудування".

доктор технічних наук, професор

Карпусь Владислав Євгенович,

Національній технічній університет “Харківський політехнічний інститут” (м. Харків),

професор кафедри “Технологія машинобудування та металорізальні верстати”;

кандидат технічних наук, доцент

Марчук Віктор Іванович,

Луцький державний технічний університет (м. Луцьк),

завідувач кафедри "Приладобудування".

Одеський національний політехнічний університет,

Міністерства освіти і науки України, м. Одеса. |

Захист відбудеться 17 лютого 2004 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

Автореферат розісланий “16” січня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Зінь М.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток машинобудування здійснюється шляхом впровадження у виробництво науковомістких технологій, сучасних верстатів, різальних інструментів і технологічного спорядження. При обробленні деталей із зовнішніми циліндричними поверхнями, геометричні осі яких перетинаються під певним кутом, — типу криволінійної осі (KО) — виникають певні проблеми. Загальноприйнята технологія базування таких деталей не забезпечує стабільної точності, а це створює труднощі під час виконання послідовних операцій точіння та шліфування для необхідності досягнення 6-8 квалітету точності та параметрів шорсткості поверхонь у межах в умовах серійного виробництва. Важливим для виготовлення KО є забезпечення точності кута перетину геометричних осей деталі з відхиленням у межах , а також його достовірний контроль. Складність полягає в тому, що вершина кута перетину геометричних осей деталі знаходиться в її тілі, а форма деталі та конструкція технологічного спорядження зумовлюють дисбаланс підсистеми пристрій-деталь, крім цього в процесі оброблення він постійно змінюється.

У зв'язку з цим, розроблення та дослідження технологічних шляхів забезпечення надійності базування, величини операційних припусків, контролю параметрів, надійності технологічного спорядження дозволять позбутися вказаних недоліків технології виготовлення KО і тому є актуальною науковою проблемою.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Української державної програми розвитку сільськогосподарського машинобудування та забезпечення агропромислового комплексу конкурентноспроможною технікою, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України 1 грудня 1997 року, №1341, а також, відповідно до координаційного плану Комітету з питань науки і техніки України, розділу "Машинобудування" (позиція 43) "Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні" на 2000-2005 роки.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості виготовлення KО із досягненням параметрів точності за 6 – 8 квалітетами, величини кута перетину геометричних осей з відхиленням у межах за рахунок нового способу базування їх у трьох центрових отворах.

Для досягнення мети в роботі поставлені такі завдання:

- проаналізувати існуючі технології виготовлення КО на базі традиційних способів оброблення, визначити недоліки та перспективні напрямки їх удосконалення;

- розробити технологічні схеми базування криволінійної осі у трьох центрових отворах із метою підвищення точності та якості виготовлення;

- розробити конструкцію заготовки, отримати аналітичні залежності для визначення допуску кута перетину геометричних осей з базуванням у трьох центрових отворах, величини припусків, як заготовки, так і операційних для чорнового й чистового механічного оброблення криволінійної осі;

- розробити динамічну модель токарного оброблення із залишковим неврівноваженням, установити вплив вібрування на точність оброблення KО;

- провести розмірний аналіз схеми базування у трьох центрових отворах із метою реалізації технологічного процесу та спорядження для його забезпечення;

- розробити техніко-економічну методологію вибору способу механічного оброблення KО з умов заданої точності та якості зовнішніх поверхонь;

- розробити інженерну методику проектування заготовки, технологічного процесу механічного оброблення та технологічного спорядження для їх реалізації.

Об’єкт дослідження – прогресивні технологічні процеси виготовлення циліндричних деталей з геометричними осями, що перетинаються.

Предмет дослідження – технологія виготовлення криволінійних осей із базуванням у трьох центрових отворах у процесі механічного оброблення.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтувались на основних положеннях технології машинобудування: теоріях базування, різання, розрахунку припусків, динамічних розрахунків неврівноваженості підсистеми пристрій-деталь. Результати експериментальних досліджень точності базування у трьох центрових отворах, способів врівноваження підсистеми пристрій-деталь і їх вплив на режими різання та якість оброблених поверхонь проведено на спеціально розробленому спорядженні в умовах ВАТ "Тернопільський комбайновий завод", опрацьовані на основі теорії ймовірностей і математичних розрахунків.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

- розроблено принцип базування деталей типу KB для токарного та шліфувального оброблення у трьох центрових отворах, який в умовах невизначеного базування дозволяє забезпечити стабільність технологічних процесів (ТП) виготовлення і точність виконання кута перетину геометричних осей з відхиленнями в межах ;

- обґрунтовано методику визначення досяжної точності кута перетину геометричних осей для різних способів базування KО у трьох центрових отворах, введено поняття коефіцієнта зміщення ;

- виведено аналітичні залежності для визначення загальних і операційних припусків, які в умовах базування KО у трьох центрових отворах мають змінну величину по довжині деталі;

- розроблено, теоретично й експериментально обґрунтовано, спосіб оброблення KО із використанням фіксованого залишкового неврівноваження підсистеми пристрій-деталь;

- розроблено динамічну модель процесу оброблення КО у трьох центрових отворах з урахуванням податливості місць закріплення, що дозволило встановити похибку оброблення поверхні з урахуванням режимів різання;

- розроблено інженерну методику проектування ТП механічного оброблення КО та спорядження для їх реалізації.

Практичне значення отриманих результатів. Теоретичні та експериментальні дослідження дали змогу отримати аналітичні залежності визначення досяжного кута перетину геометричних осей деталі, операційних припусків для базування у трьох центрових отворах залежно від конструктивних параметрів KО, що в умовах виробництва дозволяє прогнозувати точність оброблення деталей та раціоналізувати вибір заготовок. Застосування способу токарного оброблення з фіксованим розрахунковим неврівноваженням підсистеми пристрій-деталь дозволило здійснювати оброблення обох кінців деталі без переналагодження спорядження та постійних режимах різання. Встановлено відносні коефіцієнти собівартості різних варіантів технології виготовлення КО з умов мінімізації виробничих витрат. Основні положення теоретичних і експериментальних досліджень та інженерних рішень впроваджені у виробництво на ВАТ "Тернопільський комбайновий завод" для оброблення осі КС6В-47.643. Технічна новизна розробок захищена чотирма патентами України на винаходи.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці та обґрунтуванні задач досліджень, аналізі науково-технічної інформації, сучасних проблем механічного оброблення КО [2]; в розробці способів базування у трьох центрових отворах [3, 8, 9, 10] та їх вплив на точність параметрів осей [2, 11]; розробленні методики інженерного розрахунку припусків на оброблення КО [1]; розмірному аналізі технології базування; теоретичному дослідженні динаміки процесу оброблення [5, 12]; розробці способів врівноваження підсистеми пристрій-деталь [5, 6]; обґрунтуванні можливості застосування різних способів базування і їх вплив на собівартість виготовлення деталей [4]. Основні результати роботи отримані автором самостійно. Крім цього, здобувачу належить розробка методик експериментальних досліджень, конструкцій експериментального спорядження [1, 5, 7], а також безпосереднє проведення експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на V-VII науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль, 2001, 2002, 2003), VI Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні проблеми землеробської механіки" у Харківському державному технічному університеті сільського господарства (Харків, 2003), на науково-технічній раді ВАТ "Тернопільський комбайновий завод" (Тернопіль, 2003). Робота доповідалась та отримала позитивний відгук на розширеному засіданні науково-технічного семінару Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль, 2003), в Одеському національному політехнічному університеті (Одеса, 2003).

Публікації. Основні положення і результати досліджень викладені у 13 друкованих працях, з них 6 одноосібних, в тому числі 6 публікацій у фахових виданнях, 3 тезах наукових конференцій, а нові технічні розробки захищені 4 деклараційними патентами України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел із 119 назв та додатків. Загальний обсяг роботи викладений на 181 сторінці, в т. ч. 48 рисунків і 8 таблиць, додатків на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми забезпечення точності оброблення КО і необхідність створення та дослідження раціональних технологічних процесів їх виготовлення. Сформульовано мету, об'єкт, предмет, методи досліджень та завдання, які розв'язуються в роботі, окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі "Криволінійні осі, їх конструктивні особливості. Аналіз способів механічного оброблення, технологічного оснащення і результати відомих теоретичних досліджень" на підставі аналізу літературних джерел та будови машин і механізмів одержано конструкцію типової криволінійної осі (рис.1). Вона передбачає наявність основних і визначаючих конструктивних елементів – двох зовнішніх

Рис. 1. Типова конструкція криволінійної осі | поверхонь обертання А і Б, осі яких перетинаються під певним кутом . Характерною технологічною ознакою KО є відсутність можливості виконання співвісних центрових отворів у точках 1 і 2, які б

дозволили застосувати типову технологію оброблення у співвісних центрах верстата. Основними і типовими технічними вимогами конструкції KО є забезпечення :

- виконання зовнішніх поверхонь обертання з точністю не нижче 6 квалітету і шорсткістю ;

- відхилення кута перетину геометричних осей від номінального значення в межах .

Аналіз технологічних процесів виготовлення KО на базі відомих схем базування вказав на їх основні недоліки, а саме:

- досяжна точність оброблення зовнішніх поверхонь обертання за 8-9 квалітетом з шорсткістю ;

- відхилення точності кута перетину геометричних осей – .

Проведено аналіз факторів, які впливають на якісні показники кінцевого продукту механічного оброблення. Розглянуто процес вібрування, який супроводжує токарне оброблення КО з причини неврівноваженості підсистеми пристрій-деталь; питання контролю якості та методи і способи контролю кутів для деталей вказаної конструкції, характерною ознакою яких є застосування принципу ПР_НЕ і відсутність безпосереднього заміру величини кута перетину геометричних осей.

Другий розділ "Теоретичні основи забезпечення механічного оброблення криволінійних осей з умов заданої точності" присвячено теоретичному розгляду принципів базування KО у трьох центрових отворах для токарного і шліфувального оброблення на базі розроблених схем базування:

- у паралельно зміщеному, кутовому і осьовому центрах (рис.2 а);

- у двох перпендикулярно зміщених і осьовому центрах (рис.2 б);

- у двох у площині симетрії і осьовому центрах (рис.2 в).

Рис. 2. Схеми базування криволінійних осей у трьох центрах:

а) у паралельно зміщеному, кутовому і осьовому центрах, б) у двох перпендикулярно зміщених і осьовому центрах, в) у двох у площині симетрії і осьовому центрах.

Аналітичні розрахунки для розроблених теоретичних схем визначення кута перетину геометричних осей KО дозволили встановити величину похибки базування і похибку кута перетину геометричних осей для різних способів базування у трьох центрових отворах.

Для базування КО у паралельно зміщеному, кутовому і осьовому центрах:

, (1)

, (2)

де – величина зміщення центра від осі обертання шпинделя верстата; – відстань між центрами; – відстань від центра до оброблюваної поверхні; – коефіцієнт зміщення у трьох центрах; – кут між осями обертання шпинделя верстата та центрів.

Введення коефіцієнта дозволило врахувати залежність похибки базування і відхилення кута перетину геометричних осей від багатьох різновекторних похибок як розміщення центрових отворів у деталі, так і розміщення центрів у технологічному спорядженні.

Для способу базування у двох перпендикулярно зміщених і осьовому центрах:

, (3)

, (4)

де  – допуск виконання центрового отвору; – кутова похибка центрування заготовки.

Для способу базування у двох у площині симетрії і осьовому центрах:

. (5)

. (6)

Аналітично розраховані похибки базування KО у трьох центрових отворах є максимальними і нерівномірно розподіляються по довжині деталі. Це пов'язано з тим, що вісь обертання верстата і вісь базування, яка проходить через осьовий і зміщений центри, не співпадають одна з одною, а це вимагає вносити певні корективи у розрахунок операційних припусків на оброблення.

Розрахунково-аналітичний метод визначення припусків на оброблення, розроблений проф. В.М. Кованом, базується на аналізі факторів, які впливають на припуски попереднього і поточного переходів оброблення поверхонь. Практичне випробування способу базування у паралельно зміщеному, кутовому і осьовому центрах показало, що і для токарного і для шліфувального оброблень величини припусків, розрахованих за діючою методикою, були недостатніми. Незалежно від того, як призначалися припуски – розрахунково-аналітичним методом чи за довідковими таблицями – на поверхнях деталей у процесі шліфування спостерігались частково не оброблені поверхні (чорноти), кількість яких збільшувалась по мірі віддалення від осьового центра, а в процесі точіння мала місце недостатня величина припуску по довжині деталі, особливо на її кінцях. Для усунення цих недоліків виведено аналітичні залежності визначення мінімальних припусків для чорнового, чистового точіння та шліфування.

Для чорнового точіння

, (7)

де  – висота нерівностей профілю заготовки; – глибина дефектного поверхневого шару заготовки; – допуск на діаметр базової шийки заготовки;  _ відстань від точки перетину геометричних осей до розрахункової поверхні; – кутова похибка перетину геометричних осей заготовки.

Розрахунок припусків для чистового точіння (другий і наступні переходи без переустановлення деталі на верстаті) відповідає загальноприйнятому методу розрахунку.

Для шліфування KО мінімальний розрахунковий припуск визначається за залежністю

. (8)

Структуру розміщення припусків по довжині осі зображено на рис. 3.

Аналіз залежностей (7) і (8) свідчить, що для першого переходу чорнового точіння величина

Рис. 3. Структура розміщення припусків по довжині осі:

а) для чорнового точіння; б для наступ-ного (чистового) точіння; в) для шліфування. | припуску зростає від мінімального значення з боку перетину геометричних осей до максимального на кінці деталі. Величина припусків наступного токарного оброблення (без переустановлення деталі на інший верстат) характеризується постійністю по довжині деталі. Величина припуску на шліфування поверхонь зростає від мінімальної величини на кінці деталі до максимальної з наближенням до точки перетину геометричних осей.

Технологічна система верстат–пристрій–-інструмент–деталь у процесі токарного оброблення KО представляє собою пружну систему, деформації

якої зумовлюють виникнення систематичних і випадкових похибок розмірів та геометричної форми оброблених поверхонь. Разом із тим, ця технологічна система є замкнутою динамічною системою, де можливе виникнення і підтримування вібрацій, які породжують похибки форми оброблених поверхонь і підвищують їх шорсткість. У загальному випадку замкнута динамічна система є багатоконтурною, в якій робочі процеси взаємозв'язані один з одним через пружну систему. Вібрування системи викликаються двома основними збуджуючими силами:

а) відцентровою силою інерції , збудженою незбалансованістю підсистеми пристрій–деталь у процесі обертання деталі під час оброблення;

б) динамічним характером нормальної складової сили різання , яка збуджується нерівномірністю припуску на оброблення внаслідок похибки кута перетину геометричних осей у заготовці .

Аналітичними розрахунками на базі розроблених теоретичних схем встановлено миттєву силу інерції, яка діє на різець (9), і нормальну складову сили різання (10):

, (9)

, (10)

де – неврівноважена маса; – кутова частота обертання центра неврівноваженої маси; - відстань центра неврівноважених мас від осі обертання; - зусилля різання; і - відповідно діаметри обробленої деталі і заготовки.

Схеми процесу точіння в умовах дисбалансу підсистеми пристрій–деталь із врахуванням податливості передньої та задньої опор верстата й різцетримача (супорта) зображена на рис. 4, 5. Досліджувана система складається з двох мас, зв'язок між якими здійснюється за рахунок сили різання.

Рис. 4. Розрахункова схема точіння

Рис. 5. Схема сил, що діють на деталь в процесі точіння | Рівняння коливного руху деталі має вид:

, (11)

де – маса обертової частини; – координата коливань центра мас деталі; і – реакції опор (шпиндельного вузла та задньої бабки відповідно); і – жорсткості відповідних опор; і – коливне зміщення опор від положення рівноваги; – сила різання.

Визначено зв’язок між координатами зміщення опор () і координатою центра мас за геометричною залежністю

. (12)

Виведено рівняння рівноваги моментів відносно довільної точки системи з положенням різця на

відстані від заднього центра верстата

. )

Розв'язок системи рівнянь (11) – (13) дав можливість визначити невідомі і та записати єдине диференціальне рівняння руху із невідомою .

. (14)

Рівняння руху різця із супортом має вигляд

, (15)

де – жорсткість супорта.

Сила різання, яка діє на різець, має статичну та коливну складові. Остання залежить від приросту величини глибини різання, який визначається різницею координат коливань деталі в місці розміщення різця та коливань різця . Внаслідок прийнятої лінійності системи при визначенні характеристик коливного процесу сталу величину статичної складової до уваги не брали, а розглядали лише динамічну складову сили різання, що визначається за залежністю . де – коефіцієнт пропорційності глибини різання та відповідного зусилля.

Важливим є визначення амплітуди вимушених коливань деталі та різця з частотою обертання . При її наближенні до однієї з власних частот системи можливе ви-никнення резонансу. Подальші математичні дослідження амплітуди коливань дозволили визначити: – 

амплітуду коливань різця

(16)– 

амплітуду коливань центра мас оброблюваної деталі

; (17)– 

амплітуду коливань точки різання

. (18)

Встановлено нестабільність форми оброблюваної деталі, що визначається різницею коливального положення деталі та різця

. (19)

Аналіз залежності (19) показує, що з наближенням частоти обертання до однієї з власних частот спостерігається явище резонансу, що є недопустимим. Прирівнявши вираз у квадратних дужках до нуля, отримали умову мінімуму коливань, тобто найкращої форми обробленої поверхні:

. (20)

Із формули (20) випливає, що найкращі результати точіння будуть за умови співпадання власної частоти коливань різця з частотою обертання деталі.

Для типових значень параметрів жорсткості конструктивних елементів токарного верстата та відомої величини дисбалансу обчислено величину відхилення форми поверхні від номінальної за рахунок коливань різця та деталі. Так, для  Н/м,  Н/м,  Н/м,  кг,  кг,  кгм,  Н/м,  м,  м,  м,  /с (500 об/хв) розрахункова величина амплітуди коливань поверхні  мкм, при цьому власні частоти системи рівні  /с,  /с,  /с.

Третій розділ "Програма, методика та результати експериментальних досліджень технології виготовлення криволінійних осей" присвячений визначенню:

- дійсної величини застосованого у розрахунках коефіцієнта зміщення у трьох центрових отворах ;

- впливу неврівноваженості підсистеми пристрій-деталь на режими різання та шорсткість для токарного оброблення КО з різними способами врівноваження.

Для забезпечення належної точності та достовірності встановлення було розроблено і виготовлено три комплекти спеціального спорядження для токарного і шліфувального оброблення KО з базуванням у трьох центрових отворах. Підготовка центрових отворів виконувалася двома варіантами центрування деталі: у поворотному кондукторі на вертикально-свердлильному верстаті мод.2Н135 та на верстаті типу "обробний центр". Схеми технологічного процесу оброблення та вимірювання радіального биття зображено на рис. 6.

У процесі експерименту заготовка обточувалась на токарних верстатах t1–t3, переустановлювалася на шліфувальні верстати S1–S3 послідовно і фіксувались результати заміру радіального биття. Результати експерименту опрацьовано методом математичної статистики. Половина величини радіального биття становила похибку базування. Величина визначалась залежністю (1). Він становить: для центрування у поворотному кондукторі на вертикально-свердлильному верстаті і для центрування на верстаті типу "обробний центр".

Рис. 6. Схеми технологічного процесу оброблення та вимірювання радіального биття

а) схема оброблення і переустановлення КО на токарних та шліфувальних верстатах;

б) схема контролю радіального биття; в) оброблення та замір радіального биття.

Рис. 7. Діаграма залежності похибки базування від ексцентриситету розміщення оброблюваної поверхні:

а) для центрування в поворотному кондукторі;

б) для центрування на верстаті типу "обробний центр" | За результатами експерименту побудовано діаграму залежності похибки базування від ексцентриситету розміщення оброблюваної поверхні до осі базування (рис.7) для практичного застосування у проектуванні технологічних процесів оброблення KО.

Визначення числового значення коефіцієнта зміщення у трьох центрових отворах дозволило оцінити похибку кута

перетину геометричних осей для різних способів базування у трьох центрах для конкретної деталі КС6В-47.643: – для базування у паралельно зміщений, кутовий і осьовий центри; – для базування у два перпендикулярно зміщені і осьовий центри; – для базування у двох у площині симетрії і осьовий центри.

Дослідження способів урівноваження підсистеми пристрій-деталь проведено для трьох можливих варіантів: "на дотик" вібрування верстата в процесі оброблення (чинний метод); урівноваження підсистеми поза верстатом; з фіксованим розрахунковим дисбалансом, величина якого обчислюється за формулою

, (21)

де і - відповідно маса заготовки і деталі; і відповідно довжина кінця KО і оброблюваної його частини.

Рис. 8. Залежності шорсткості поверхні КО від частоти обертання шпинделя для різних способів урівноваження:

1 – круглий прокат (без дисбалансу);

2 – врівноваження "на дотик";

3 – врівноваження поза верстатом;

4 – із залишковим фіксованим неврівноваженням | Розрахункова величина дисбалансу дозволяє проводити обробку деталі з двох боків з переустановленням заготовки в умовах постійного залишкового дисбалан-су. Залежності шорсткості поверхні КО від частоти обертання шпинделя для різних способів урівноваження зображено на рис.8. За результатами експерименту впроваджено спосіб токарного оброблення КО з постійним фіксованим дисбалансом підсистеми пристрій – деталь, що дозволило підвищити режими різання (швидкість різання) по відношенню до чинної

методики врівноваження з  об/хв ( м/хв) до  об/хв ( м/хв) з діаметром оброблення , підвищити продуктивність обробки в 1,3 –1,5 разів.

У четвертому розділі "Інженерна методика проектування технологічних процесів механічного оброблення криволінійних осей, спорядження для їх реалізації" розглянуто питання багатоваріантності у побудові ТП і обґрунтування вибору технології, виходячи з того, що потенціал для досягнення заданих параметрів точності KО закладено лише у параметрах заготовки і в технологічному маршруті виготовлення. Вибираючи варіант ТП виготовлення для забезпечення заданих параметрів точності, необхідно врахувати в першу чергу параметри точності KО. Функція мети на стадії проектування формулюється наступним чином:

; ; ; , (22)

де і – відповідно досяжна і необхідна точність кута перетину геометричних осей; і – досяжна і необхідна точність виконання зовнішніх поверхонь обертання, і – досяжна і необхідна шорсткість оброблення; – відносний коефіцієнт собівартості варіанта.

Виразивши технологічну собівартість певного способу оброблення через коефіцієнт технологічної собівартості , який дорівнює добутку операційних коефіцієнтів собівартостей: заготовки , центрування , точіння , шліфування , формула характеризує собівартість певного варіанту оброблення. Табл. 1 характеризує собівартість виготовлення КО для різних способів базування і, відповідно, різних варіантів ТП. Вона свідчить, що для досягнення тих чи інших параметрів точності КО доцільно використовувати певний технологічний маршрут виготовлення, а з врахуванням відносного коефіцієнту собівартості , технології оброблення зводяться до конкретної.

Таблиця 1

Відносна технологічна собівартість варіантів оброблення КО

Параметри точності осі | Варіанти технології* (базування) | Операційні коефіцієнти собівартості | Коефіцієнт технологічності собівартості КСтВідносний коефіцієнт собівартості КіКвалітет точності Кт | Шорсткість поверхонь, Ш | Допуск кута перетину геометричних осей Заготовка

КСтзаг | Центрування

КСтц | Точіння

КСтт | Шліфування

КСтш | 6-8 | 0,63-2,5 | ±60-90` | I | 1 | 1,2 | 1,95 | - | 2,34 | 1,44 | ±30-60` | II | 1 | 1,4 | 1,80 | - | 2,52 | 1,55 | ±10` | III | 1,3 | 1,5 | 1 | 1,3 | 2,54 | 1,56 | ±15` | IV | 1,3 | 1,25 | 1 | 1,3 | 2,11 | 1,3 | ±35` | V | 1 | 1,35 | 1 | 1,3 | 1,76 | 1,08 | ±25` | VI | 1 | 1,25 | 1 | 1,3 | 1,63 | 1 | 9-10 | 6,3 | ±60-90` | I | 1 | 1,2 | 1,55 | - | 1,86 | 1,19 | ±30-60` | II | 1 | 1,4 | 1,5 | - | 2,1 | 1,35 | ±10` | III | 1,3 | 1,5 | 1 | 1,25 | 2,44 | 1,56 | ±15` | IV | 1,3 | 1,25 | 1 | 1,25 | 2,03 | 1,3 | ±35` | V | 1 | 1,35 | 1 | 1,25 | 1,69 | 1,08 | ±25` | VI | 1 | 1,25 | 1 | 1,25 | 1,56 | 1 | 11-12 | 12,5 | ±60-90` | I | 1 | 1,2 | 1 | - | 1,2 | 1 | ±30-60` | II | 1 | 1,4 | 1 | - | 1,4 | 1,16 | ±10` | III | 1,3 | 1,5 | 1 | - | 1,95 | 1,62 | ±15` | IV | 1,3 | 1,25 | 1 | - | 1,62 | 1,35 | ±35` | V | 1 | 1,35 | 1 | - | 1,35 | 1,12 | ±25` | VI | 1 | 1,25 | 1 | - | 1,25 | 1,04 |

Примітка. *Варіанти базування: І – з використанням зовнішнього контуру і осьового центрового отвору; ІІ – у двох технологічних і осьовому центровому отворах; ІІІ – у паралельно зміщеному, кутовому і осьовому центрах з центруванням на верстаті типу "обробний центр"; IV – те саму, з центруванням на вертикально-свердлильному верстаті у поворотному кондукторі; V – у двох перпендикулярно зміщених і осьовому центрах; VI – у двох у площині симетрії і осьовому центрах.

Рис. 9. Розрахункова схема розмірних ланцюгів | Основою для технологічного обґрунтування ТП оброблення КО у трьох центрових отворах може служити розмірний аналіз схеми базування (рис. ). Для розрахунку умовно прийнято, що допуску кута перетину геометричних осей визначається конструкцією технологічного пристрою і допуску відхиленням глибини та розсіюванням положення центрових отворів у деталі. Розв'язок розмірних ланцюгів і (для

, ,  мм, ) показав, що технологічна схема оброблення реалізується наступними конструктивними рішеннями: а) паралельно зміщений центр 1 необхідно виконувати регульованим на розмір паралельно осі обертання верстата; б) кутовий центр 2 необхідно виконувати підвідним.

ТП виготовлення КО розділено на 4 основні етапи. Перший етап включає операції підготовки

Рис. 10. Характеристика точності операцій підготовки баз | баз, які характеризуються наступною вимогою: при , ,  Відхилення параметрів , , , від номінальних величин визначає у кінцевому результаті величину отриманого параметра (рис. ).

Операція центрування заготовки вирішується способом оброблення на вертикально-свердлильному верстаті у повротному кондукторі (рис. 11). Основні операції (токарна, шліфувальна) механічного оброб-

лення у трьох центрах 1-2-3 вирішено застосуванням спеціально розробленого спорядження, представленого на рис. 12. Технологічне спорядження передбачає його балансування поза верстатом разом із закріпленою деталлю шляхом встановлення пластин 4.

Рис. 11. Операція центрування заготовки КО у поворотному кондукторі:

а) пристрій для центрування; б) центрування отворів на верстаті мод. 2Н135

Рис. 12. Технологічне спорядження для оброблення КО:

а) токарного; б) шліфувального.

Комплекс операцій виготовлення допоміжних елементів КО включає операції і спорядження характерне для оброблення деталей класу "круглі стержні". Операції контролю параметрів КО зводяться до традиційних замірів, крім контролю кута перетину геометричних осей. В основі розробленого контрольного пристрою для вимірювання кута перетину геометричних осей (рис. 13) використано принцип визначення фактичних значень кута через тригонометричну функцію за показниками індикаторів. В основі індикаторних головок 1 використані балансири 2. Використовуючи співвідношення довжин балансира , величина відхилення кута визначається співвідношенням , де – показ кутового індикатора. Показ індикатора вертикальної головки налагоджується на 0 по еталонній деталі.

Рис. 13. Контрольний пристрій для вимірювання кута перетину геометричних осей КО

а) пристрій; б) схема балансира

Проведені теоретично-експериментальні дослідження дозволили обґрунтувати величину припусків у заготовці . Вони є змінними по довжині по відношенню до табличних і характеризуються залежністю

, (23)

де  – відстань від точки перетину геометричних осей до відповідної поверхні КО.

Розроблена інженерна методика дає змогу спростити багатоваріантну задачу проектування ТП і спорядження для його реалізації та обґрунтувати економічні критерії оцінки раціональної технології виготовлення КО.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення й нове вирішення науково-прикладної задачі, яка полягає у підвищенні точності механічного оброблення КО шляхом проектування технологічного процесу їх виготовлення із створенням технологічного спорядження для його реалізації. Аналіз літературних джерел, існуючих технологічних процесів, методів базування показав, що параметри точності та якості поверхонь, які досяжні при існуючих схемах, забезпечують відхилення кута перетину геометричних осей деталі в межах , точність і шорсткість отриманих поверхонь 8–9 квалітету і відповідно. Дослідженнями доведено, що отримання високої точності пов’язане з застосуванням принципово нових схем базування деталі в процесі механічного оброблення.

2. Вперше розроблено нові способи базування КО для токарного та шліфувального оброблень у трьох центрових отворах, для яких виведені аналітичні залежності похибки базування і кута перетину геометричних осей. Для врахування багатьох факторів, які впливають на точність базування, введено новий коефіцієнт зміщення у трьох центрових отворах , експериментально встановлено його величину, яка дорівнює для центрування на вертикально-свердлильному верстаті у поворотному кондукторі і для центрування на верстаті типу ”обробний центр”. Незважаючи на певну невизначеність, ці способи дозволяють забезпечити похибку кута перетину геометричних осей для базування: – у паралельно зміщений, кутовий й осьовий центри; – у двох перпендикулярно зміщених й осьовий центри; – у двох у площині симетрії й осьовий центри.

3. Теоретично обґрунтовано і виведено аналітичні залежності нерівномірності розподілу величини припуску на оброблення по довжині деталі, в результаті чого встановлено, що в процесі точіння величина мінімального припуску зростає від найменшого з боку перетину геометричних осей до максимального значення на кінцях КО (для КС6В-47.643 у межах 1,56 – 2,9 мм), а при шліфуванні зростає від найменшої величини на кінцях деталі до максимальної з наближенням до точки перетину геометричних осей (у межах 0,05 – 0,29 мм). Це зумовлює необхідність раціонально визначити величину міжопераційних припусків і конструкцію заготовки в цілому для досягнення показників якості.

4. В результаті проведеного розмірного аналізу схеми базування у трьох центрових отворах обґрунтовані основні параметри точності операцій підготовки баз, конструктивні елементи технологічного спорядження і встановлено, що для вирішення поставленого завдання забезпечення похибки кута перетину геометричних осей в межах необхідно передбачити регулювання положення паралельно зміщеного центра і підвід кутового для токарного і шліфувального оброблення КО у технологічному спорядженні.

5. На основі розробленої динамічної моделі токарного оброблення КО в умовах розрахункового фіксованого неврівноваження підсистеми пристрій – деталь встановлено, що при наближенні частоти обертання до однієї з власних частот системи буде спостерігатися явище резонансу. Визначено, що для паспортних показників жорсткості шпиндельного вузла верстату мод. 16К20  Н/м, фіксованого неврівноваження підсистеми пристрій – деталь  Н•м, частоти обертання  /с ( об/хв.), розрахункова величина амплітуди коливань поверхні деталі становитиме  мкм, при цьому власні частоти коливань системи будуть у межах  /с., тобто явище резонансу можливе лише при десятикратному збільшенні кількості обертів шпинделя.

6. Вперше розроблена інженерна методика проектування ТП механічного оброблення дозволила обґрунтувати багатоваріантність у їх виборі для отримання параметрів точності, шорсткості і похибки кута перетину геометричних осей КО в межах 6-12 квалітетів, , з умов мінімізації витрат на виробництво за допомогою застосованого відносного коефіцієнта собівартості, в результаті чого ТП зводиться до конкретного варіанта з найменшою виробничою собівартістю.

7. Проведені експерименти відповідно до розробленої програми досліджень підтвердили адекватність теоретичних розрахунків дійсним значенням технологічних параметрів. Порівняльний аналіз шорсткості, амплітуди коливань, отриманих експериментальним і розрахунковим шляхом із використанням багатофакторного експерименту показав достатню точність розрахунків, похибка яких становить %.

8. На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень механічного оброблення КО у трьох центрових отворах розроблена інженерна методика проектування ТП, технологічного оснащення і заготовки. Розроблено, виготовлено, випробувано та впроваджено у серійне виробництво на ВАТ ”Тернопільський комбайновий завод” технологічне спорядження та ТП виготовлення осі КС6В-47.643 з щорічним економічним ефектом  тис. грн. Наукова новизна розробок захищена 4 патентами України на винаходи.

Список опублікованих праць

1. Гевко Б.М., Стойко І.І. Аналітично-експериментальне дослідження особливостей розрахунку припусків для обробки криволінійних вісей у зміщених центрах // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2000. - Т.5, №4. - С. –20.

2. Гевко Б.М., Стойко І.І. Особливості проектування технологічних процесів механічного оброблювання криволінійних вісей // Наукові нотатки. Міжвуз. зб. Луцького державного технічного університету. - Луцьк: Вид-во ЛДТУ. - 2001. - Вип. 8. - С. .

3. Гевко І.Б., Стойко І.І. Особливості базування криволінійних вісей транспортно-технічних систем у трьох центрах // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2001. - Т.6, №4, - С. –69.

4. Гевко Б.М., Стойко І.І. Оптимізація технологічного процесу оброблення криволінійних осей // Наукові нотатки. Міжвуз. зб. Луцького державного технічного університету. Луцьк: Вид-во ЛДТУ. - 2001. - Вип.9. - С. .

5. Стойко І.І. Дослідження впливу методів врівноваження затискного пристрою на шорсткість поверхонь в оброблюваних криволінійних вісей // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2002. - Т.7, №3. - С. .

6. Стойко І.І. Вібрування технологічної системи і її вплив на технологічний процес оброблення криволінійних вісей // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. – Харків: Вид-во ХДТУСГ. - 2003. -Вип. 21. -С. –389.

7. Пат. 43200А України, МПК G23В5/24. Пристрій для заміру величини кута криволінійної осі / Б.В.Гупка, І.І.Стойко, І.Б.Гевко. - №2001042262; Заявл. 05.04.2001; Опубл. 15.11.2001, Бюл. №10. - 5 с.

8. Пат. 47035А України, МПК В23В1/00. Спосіб токарної обробки криволінійних осей і пристрій для його здійснення / І.І.Стойко, І.Б.Гевко. - №2001064404; Заявл. 23.06.2001; Опубл. 17.06.2002, Бюл. №6. - 4 с.

9. Пат. 47036А України, МПК В23В1/00. Спосіб для токарної обробки криволінійних осей і пристрій для його реалізації / І.І.Стойко, І.Б.Гевко. - №2001064405; Заявл. 23.06.2001; Опубл. 17.06.2002, Бюл. №6. - 4 с.

10. Пат. 53348А України, МПК В23В1/00. Спосіб оброблення деталей з циліндричними поверхнями / І.І.Стойко. - №2002053714; Заявл. 07.05.2002; Опубл. 15.01.2003, Бюл. №1. - 3 с.

11. Стойко І.І. Технологічне забезпечення показників якості криволінійних вісей // Матеріали п’ятої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя. - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2001. - С. .

12. Стойко І.І. Методи врівноваження пристрою для оброблення криволінійних вісей // Матеріали шостої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя. - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2002. - С. .

13. Стойко І.І. Невизначеність у базуванні деталей з пересіченими геометричними вісями // Матеріали сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету ім. І. Пулюя. - Тернопіль: Вид-во ТДТУ. - 2003. - С. .

АНОТАЦІЯ

Стойко I.I. Технологічне забезпечення точності обробки криволінійних осей базуванням у трьох центрових отворах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового степеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2004.

Дисертація присвячена механічному обробленню криволінійних осей (KО) - деталей з двома пересічними геометричними осями зовнішніх поверхонь обертання - базуванням у трьох центрових отворах для забезпечення заданих параметрів точності.

В роботі розглянуто основні схеми базування деталі на токарному і шліфувальному обладнанні у трьох центрах, досяжну похибку кута перетину геометричних осей деталі при різних схемах базування, обґрунтовано залежності для розрахунку між операційних припусків, проаналізовано основні способи врівноваження підсистеми пристрій-деталь. В результаті теоретичних досліджень отримано динамічну математичну модель токарного оброблення KО, яка дозволяє прогнозувати точність обробки поверхонь і раціоналізувати режими різання. Розроблена інженерна методика проектування технологічного процесу та технологічного спорядження з базуванням у трьох центрових отворах. Проведені дослідницькі роботи у виробничих умовах із порівнянням теоретичних і експериментальних результатів та впровадженням технології й оснащення у серійне виробництво.

Ключові слова: криволінійна вісь, базування у трьох центрах, точність обробки, неврівноваження токарного спорядження, коефіцієнт зміщення.

АННОТАЦИЯ

Стойко И.И. Технологическое обеспечение точности обработки криволинейных осей базированием в трех центровых отверстиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2004.

Диссертация посвящена механической обработке криволинейных осей (КО) -деталей с двумя пересекающимися геометрическими осями наружных поверхностей вращения — базированием в трех центровых отверстиях для обеспечения заданных параметров точности.

В работе проведен анализ технических условий, предъявляемых к КО, и основных технических способов их возможного достижения. Разработаны способы базирования при токарной и шлифовальной обработке в трех центровых отверстиях, которые смещены относительно геометрической оси вращения шпинделя станка, и направлены на уменьшение погрешности угла пересечения геометрических осей детали. При использовании обработки в трех центрах (параллельно смещенного, углового и осевого)