ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ДЗЮРА ВОЛОДИМИР ОЛЕКСІЙОВИЧ

УДК 621.87: 621.952

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВНУТРІШНІХ ПІВКРУГЛИХ ШЛІЦЕВИХ КАНАВОК

05.02.08 – технологія машинобудування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

тернопіль – 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

Гевко Богдан Матвійович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя,

завідувач кафедрою “Технологія машинобудування”,

Заслужений винахідник України.

доктор технічних наук, професор

Карпусь Владислав Євгенович,

Академія внутрішніх військ МВС України,

професор кафедри інженерної механіки.

кандидат технічних наук, доцент

Денисюк Віктор Юрійович

Луцький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України,

доцент кафедри приладобудування. |

Захист відбудеться “27” грудня 2007 р. о 1000 на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.03 Тернопільського державного технічного університету 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 “27” листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н., доц. Данильченко Л.М.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В машинобудуванні для передачі крутних моментів широкого поширення набули шліцеві передачі, за допомогою яких з’єднуються вали з зубчастими колесами, шківами пасових передач, маховиками, зірочками ланцюгових передач та інше. Загальновідоме застосування шліцевих передач в трансмісіях тракторів, автомобілів, верстатів, будівельних, гірничих та сільськогосподарських машин. Застосування прогресивних конструкцій шліцевих кулькових з’єднань, які дозволяються здійснювати осьові переміщення з’єднувальних елементів зі зменшеним осьовим зусиллям переміщення, розширило сферу застосування цих вузлів у військовій, авіабудівній, медичній та інших промисловостях.

Шліцеві з’єднання (ШЗ) відносяться до швидкозношувальних елементів, від працездатності яких залежить довговічність інших деталей вузлів машини. Тому підвищення їх довговічності набуває важливого значення в загальній проблемі машинобудування з підвищенням експлуатаційної надійності машин.

Середня працемісткість операцій з оброблення шліцевих профілів різанням в технологічних процесах складає 50-60% від загальної працемісткості виготовлення шліцевого вала чи втулки. Удосконалення конструкцій і технологій існуючих методів оброблення шліцевих профілів, а також розроблення та впровадження нових прогресивних технологічних процесів є актуальною проблемою і має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами.

Роботу виконано відповідно до тематики Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя і ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” і є частиною загальної тематики “Розробка і дослідження ресурсо- та енергозберігаючих технологій в галузі сільськогосподарського машинобудування (2003-2007 рр.)” (№ державної реєстрації 0102U002299), а також координаційного плану Комітету з питань науки і техніки та Міністерства освіти і науки України з розділів “Машинобудування” (поз. 43) “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” на 2003-2007 роки, затвердженого Кабінетом Міністрів України.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення точності та якості оброблення поверхонь шліцевих з’єднань механізмів машин технологічними методами.

Для досягнення мети в роботі поставлено наступні задачі:–

провести аналіз конструкцій і технологій виготовлення ШЗ, відпрацювати їх на технологічність з точки зору ремонтопридатності й експлуатаційної надійності та довговічності і на цій основі удосконалити технологію їх виготовлення з розробленням високопродуктивного технологічного оснащення та інструментального забезпечення;–

на основі теорії розмірних ланцюгів провести розмірний аналіз конструкції дорна для оброблення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок за умови пластичного та пружно-пластичного деформування з визначенням проміжних і замикальної ланок та величини їх допусків;–

теоретично обґрунтувати конструктивні параметри протяжок та дорнів для оброблення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок деталей машин;–

розробити математичну модель технологічного процесу дорнування з виведенням аналітичних залежностей для визначення зусилля залежно від конструктивних і технологічних параметрів;–

дослідити напружено-деформований стан, що виникає під час дорнування внутрішніх півкруглих шліцевих канавок і дати практичні рекомендації виробництву;–

спроектувати та виготовити функціонально здатні зразки інструментального забезпечення й технологічного оснащення для забезпечення технологічного процесу виготовлення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок;–

провести комплекс експериментальних досліджень і вивести рівняння регресії для визначення зусилля дорнування внутрішніх півкруглих шліцевих канавок деталей машин і встановити вплив режимів дорнування на зміну шорсткості поверхні;–

розробити інженерну методику проектування інструментального забезпечення для оброблення внутрішніх півкруглих шліцевих поверхонь.

Об’єкт дослідження – технологічний процес механічного оброблення півкруглих шліцевих канавок деталей машин.

Предмет дослідження – інструментальне та технологічне забезпечення технології виготовлення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведено з використанням фундаментальних засад технології машинобудування, інформатики, теорії пружності та пластичного деформування, теоретичної механіки, вибору раціональних технічних рішень. Апробацію розроблених алгоритмів, програм і методик здійснено методом комп’ютерного моделювання. Результати експериментальних досліджень одержано за допомогою спеціально розробленого оснащення з використанням сучасних засобів та методів вимірювань. Статистичне оброблення експериментальних даних проведено з використанням прикладних програм для ПЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів:–

на основі теорії розмірних ланцюгів проведено розмірний аналіз конструкції дорна для оброблення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок за умови пластичного та пружно-пластичного деформування з визначенням проміжних і замикальної ланок та величини їх допусків;–

вперше розроблено математичну модель технологічного процесу дорнування внутрішніх півкруглих шліцевих канавок із визначенням силових параметрів та режимів дорнування, що послужило вихідними даними для розроблення відповідного технологічного оснащення й дорнувального інструменту. Крім цього, встановлено раціональні режими дорнування: V=2,5 м/хв, величину піднімання на одну кульку – в межах ??0,025 мм та інше.–

вперше досліджено напружено-деформований стан, що виникає на поверхні оправи інструменту в процесі дорнування півкруглих шліцевих канавок і на цій основі рекомендовано раціональні конструктивні параметри дорна та технологічні параметри процесу дорнування;–

вперше виведено аналітичні залежності й уточнено коефіцієнти при залежних параметрах для визначення шорсткості поверхні після дорнування півкруглих шліцевих канавок кульковим дорном залежно від режимів дорнування й матеріалу оброблюваних деталей.

Практичне значення отриманих результатів:–

розроблено технологію виготовлення та конструкції технологічного оснащення, протяжний, дорнувальний та вимірювальний інструменти;–

експериментально підтверджено теоретичні залежності для визначення впливу конструктивних і технологічних параметрів на процес дорнування;–

спроектовано, виготовлено експериментальний зразок кулькового дорна та пристрою для обробки півкруглих шліцевих канавок деталей машин;–

розроблено конструкції шліцевої протяжки та дорна для оброблення півкруглих шліцевих канавок деталей машин, при цьому виведено аналітичні залежності для визначення величин піднімання на зуб в протяжки та на одну кульку в процесі дорнування. Величина піднімання на одну кульку може регулюватися величиною кута робочого конуса оправи інструменту, який взаємодіє з кульками і знаходиться в межах б?0,5–1° залежно від заданого припуску на оброблення;–

розроблено інженерну методику проектування інструментального забезпечення для оброблення півкруглих шліцевих канавок деталей машин і конструкції технологічного оснащення, які впроваджено на ВАТ “Ковельсільмаш”.

Окремі результати роботи впроваджено на ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”, ВАТ “Ковельсільмаш” і в навчальний процес підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня спеціаліст спеціальності 7.090202 “Технологія машинобудування” для викладання дисциплін “Сучасні технології в машинобудуванні”, “Проектування технологічного оснащення” на кафедрі “Технології машинобудування” Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. Технічну новизну розробок захищено 6 деклараційними патентами України на винаходи.

Особистий внесок здобувача. Основні результати отримані автором самостійно[1–5]. У цих працях розроблено теоретичні передумови процесу дорнування півкруглих шліцевих канавок. У працях виконаних у співавторстві здобувачем визначено величину, інтервал та кількість ремонтних розмірів, а також проведено аналіз величини розсіювання розмірів після дорнування, досліджено вплив змащувально-охолоджуючих рідин на процес дорнування, подано рекомендації щодо їх використання [6-9]. Норми точності та технічні вимоги, що висуваються до внутрішніх шліцевих канавок, а також результати експериментальних досліджень їх дорнування наведені в роботах [10-11]. Наукова новизна роботи захищена патентами України на винаходи [12-17]. Конструкцію інструменту та його розмірний аналіз наведено в працях [18-19]. Постановка задачі та аналіз результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались й обговорювались на: науково-практичних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя у 2003-2007; Донбаській машинобудівній академії “Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем” (Краматорськ, 2005); Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків “Проблеми енергоощадності при проектуванні виготовленні та експлуатації машинобудівних конструкцій (Львів 2007); Всеукраїнській конференції докторантів, аспірантів і пошукачів “Проблеми створення та технічної експлуатації машин і обладнання” (Кіровоград, 2007); Міжнародній науково-практичній конференції “Інноваційні технології в АПК” в Луцькому державному технічному університеті (Луцьк, 2007); Міжнародній науково-практичній конференції “Процеси механічної обробки, верстати і інструмент” (Житомир, 2007); Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. П. Василенка (Харків, 2007). У повному обсязі робота доповідалась й отримала позитивний відгук на розширеному науково-технічному семінарі Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Результати наукових досліджень викладені у 19 друкованих працях (5 одноосібних), з яких – 11 статей у фахових виданнях, 6 деклараційних патентів на винаходи і 2 тез наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації - 185 сторінки, в тому числі: 76 рисунків, 16 таблиць, список використаних літературних джерел із 108 найменувань та 6 додатків на 26 сторінках. Обсяг основного тексту дисертації – 159 сторінок.

основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну й практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведено аналіз та узагальнення відомих наукових напрацювань і проблемних питань з проектування інструментів для дорнування отворів, обґрунтовано доцільність проведення досліджень та перспективність використання деталей машин, одержаних на їх основі. Представлено спектр застосування півкруглих шліцевих канавок (ПШК), а також конструкції вузлів і механізмів розроблених на їх основі.

Дослідженням процесу дорнування отворів, обробленням різанням та зміцненням в процесі оброблювання металів тиском займались Розенберг О.А., Розенберг А.М., Проскуряков Ю.Г., Посвятенко Е.К., Гриценко Е.И., Папшев Д.Д., Шнейдер Ю.Г., Кузнецов А.М., Монченко В.П., Позднякова И.В. та інші.

Проведено патентний пошук конструкцій інструментів для оброблення півкруглих шліцевих канавок. На основі проведеного аналізу визначено наукові підходи та напрямки досліджень в якості вихідних даних для вирішення поставлених в роботі задач.

В другому розділі розглянуто процес оброблення ПШК протягуванням на прикладі двох сусідніх зубів інструменту за умови забезпечення рівномірного режиму їх навантаження (рис.1). Величини припусків (площі), що підлягатимуть зрізанню в процесі оброблення сусідніми зубами позначено через S1 і S2, як площі фігур утворені перетином кіл радіусом R рівним радіусу робочого профілю зуба інструменту. Оскільки оброблення відбувається з профілем зуба однакового радіусу робочої поверхні, то R2=R3=R.

Згідно схеми (рис.1) визначено припуски (площі фігур) S1 і S2: S1 = F1 F0; S2 = F2 F1, де Fі – площа сегменту з відповідним центральним кутом.

При цьому величина піднімання на зуб для першого зуба приймалась рівною t1 = h1 – h0, а для і-го зуба ti = hi – hi-1.

Врахувавши ці параметри площі S1 і S2 визначають з залежностей:

; (1)

, (2)

де S1, – припуск (площа), що знімається першим зубом, мм2; h0 – глибина канавки, отримана в результаті попередньої операції, мм; h1 – глибина канавки після проходження першого зуба, мм; h2 – глибина канавки після проходження другого зуба, мм; б, в, г – центральні кути канавок отриманих на попередній операції та утворених відповідно попереднім та наступним зубом протяжки, град.

Із умови забезпечення рівномірного режиму навантаження площі S1 і S2 повинні бути рівні. Прирівнюванням значення S1 і S2 отримано трансцендентне рівняння для визначення оптимального значення величини h2.

Аналогічно для і-го зуба інструменту значення величини hі+1 визначають із рівняння:

. | (3) | Для визначення осьової складової зусилля, яку необхідно прикласти до інструменту для забезпечення процесу деформування припуску півкруглої шліцевої канавки кулькою заданого радіуса, розглянуто розрахункову схему дорнування (рис.2).

Рис. 2. Розрахункова схема дії сил при дорнуванні півкруглої шліцевої канавки

Зусилля, що діє на кульку зі сторони деформованого металу, визначено як добуток напруження на площу контакту у вигляді:

P=2увбквкR2, (4)

де вк  кут охоплення канавки по ширині, град; ув – границя міцності матеріалу канавки, МПа.

Відповідно осьову Po та радіальну Pr складові реакції визначено за формулами:

, (5)

, (6)

де - величина припуску при обробленні дорнуванням, Д=R(1-cosбк), мм; R  радіус кульки, мм; бк  кут охоплення канавки по довжині, град.

Силу тертя ковзання кульки по деформованій поверхні визначено за залежністю F = мPr, де м - коефіцієнт тертя ковзання.

Внаслідок великих зусиль деформування, які призводять до пластичної деформації деталі, коефіцієнт тертя має значний вплив на величину осьового зусилля.

Осьову силу, прикладену до інструменту, визначено з залежності:

, (7)

де k - коефіцієнт, що враховує короткотермінові та важкопрогнозовані процеси (короткочасну зміну режиму тертя, неоднорідність оброблюваного матеріалу тощо);

m - кількість кульок, які одночасно беруть участь в обробленні деталі.

До виразу (7) увійшли лише геометричні характеристики профілю канавки та зусилля пластичної деформації з необхідним коефіцієнтом запасу.

Графічні залежності зусилля дорнування від конструктивних і технологічних параметрів наведено на рис.3-6.

1 – 18ХГТ; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 40

Рис. 3. Графік залежності зусилля дорнування від радіуса кульки

(м=0,1; Д=0,025мм; h=5мм; m=12) | 1 – 18ХГТ; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 40

Рис. 4. Графік залежності зусилля дорнування від глибини канавки

(R=6,35мм; Д=0,025мм; м=0,1; m=12)

1 – 18ХГТ; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 40

Рис. 5. Графік залежності зусилля дорнування від коефіцієнта тертя

(R=6,35 мм; Д=0,025 мм; h=5 мм; m=12) | 1 – 18ХГТ; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 40

Рис. 6. Графік залежності зусилля дорнування від від величини припуску (R=6,35 мм; м=0,1; h=5 мм; m=12)

Оскільки дорнування ПШК є фінішною операцією технологічного процесу, то результати розмірного аналізу конструкції дорна для оброблення півкруглих шліцевих канавок отримано за умови пластичного та пружно-пластичного деформування.

Конструкція дорна з кульковими елементами передбачала (рис.7) чистове оброблення півкруглих шліцевих канавок з наступними параметрами: діаметр півкруглої канавки  мм; зовнішній діаметр шліцевого з’єднання D0=60+0.06 мм; кількість шліцевих пазів 6; матеріал деталі сталь 40, за яким представлено розрахункову схему на рис.8.

Рис. 7. Інструмент для оброблення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок |

Рис. 8. Розрахункова схема технологічного процесу дорнування

півкруглих шліцевих канавок:

1 – опорна плита пристрою для дорнування; 2 – деталь; 3 – оправа дорна;

4 – калібрувальні кульки |

Рис. 9. Розрахункова схема розмірного ланцюга дорна для оброблення товстостінних деталей

Рівняння лінійного розмірного ланцюга (рис.9) дорна для оброблення товстостінних деталей записано у вигляді:

AУ=A1-(A2+A2); (8) |

а) | б) | Рис. 10. Розрахункова схема розмірного ланцюга для визначення:

зовнішнього діаметра оправи дорна (а); зовнішнього діаметра дорна в зборі (б)

Рівняння лінійних розмірних ланцюгів мають вигляд:

а) ; (9)

б) Ai= AУ + A2 + A2. (10)

Визначено конструктивні параметри дорна для оброблення ПШК Ш60мм в умовах пружно-пластичного деформування з різною товщиною стінки оброблюваної деталі:–

для товщини стінки деталі 6-30мм:  мм; di = 60,12+0,08 мм;–

для товщини стінки деталі 30-60мм:  мм; di = 60,08+0,08 мм;–

для товщини стінки деталі >60мм: di = 60,0 мм.

Розглянуто також напружено-деформований стан поверхні оправи інструменту під час дорнування заготовки з півкруглими шліцевими канавками оправою із кульками, що пластично деформують поверхню канавки. Найнебезпечнішою є ділянка контакту кульки з оправою, так як в цьому місці кулька та відповідна поверхня оправи повинні витримувати повне зусилля деформування деталі без пластичних деформацій поверхні оправи:

P=2увбквкR2,. (11)

Крім того, на поверхні оправи виникають значні дотичні напруження за рахунок сил тертя, які погіршують напружений стан системи. Максимальне напруження в точці контакту кульок радіусом R1 і оправи радіусом R2 дорівнює:

; (12)

, (13)

де а і b – півосі еліпса плями контакту, мм; m і n – множники для визначення півосей еліпса плями контакту.

, (14)

де н – коефіцієнт Пуассона; Е – модуль пружності першого роду, Н/м2.

Суму та різницю коефіцієнтів A і B визначено за формулами, вважаючи радіус оправи R2 від’ємним:

; (15)

. (16)

Підставивши дійсні значення радіусів в формули (15) і (16), визначено вказані коефіцієнти та множники m та n, величину півосей еліпса плями контакту a і b.

Максимальне напруження в центрі плями контакту за умови R2>? становить:

. (17)

В процесі виготовлення на поверхні оправи лунок у профільному вигляді радіусом R2=1,1R1 напруження будуть дещо менші.

Наявність тертя у місці контакту спричиняє появу дотичних напружень, які пропорційні силі тертя. Вважаючи коефіцієнт тертя м по поверхні контакту постійним, максимальні контактні напруження зсуву дорівнюють:

або ф=му. (18)

Вказана залежність пояснюється дією сил тертя та відповідних напружень на тій самій площі контакту. Визначено сумарні напруження в точці контакту за критерієм максимальних дотичних навантажень:

. (19)

При м<0,1 уmax=1,09у0, тому вважали, що вплив сил тертя при змащуванні поверхні контакту несуттєвий і ним нехтували.

Розглянувши співвідношення зусиль деформування деталі та напружень після відповідних перетворень, отримано формулу для визначення величини напружень на поверхні оправи інструменту:

. (20)

Встановлено, що контактні напруження на поверхні оправи інструменту за всіх інших незмінних складових пропорційні кореню кубічному із напружень пластичності деталі, що свідчить про відносно малу залежність контактних напружень від фізико-механічних властивостей оброблюваної деталі.

Вплив конструктивних і технологічних параметрів на величину напружень зображено на графіках (рис.11–12). Обмежуючим фактором у даному випадку приймали границю контактного руйнування матеріалу ШХ15. |

1 – сталь 40; 2 – сталь 40Х;

3 – сталь 18ХГТ

Рис. 11. Графік залежності напружень на поверхні оправи при дорнуванні ПШК від натягу на одну кульку

(R=6,35мм; h=2мм)

1 – R1=4 мм; 2 – R1=6,35 мм;

3 – R1=9 мм

Рис. 12. Графік залежності напружень на поверхні оправи при дорнуванні ПШК від глибини оброблюваної канавки (ув=8Ч108 Па; ?=0,025 мм)

З наведених графіків видно, що із збільшенням натягу і глибини канавки контактні напруження зростають.

В третьому розділі розроблено програму та методику проведення експериментальних досліджень дорнування півкруглих шліцевих канавок, наведено конструкції інструментів та технологічного оснащення для здійснення технологічного процесу, представлено експериментальні зразки, хімічний склад і фізико-механічні властивості матеріалу зразків (рис.13), наведено опис вимірювальної апаратури.

Дорнування заготовок здійснювали на гідравлічному пресі моделі П6320 з максимальним тяговим зусиллям 25 кН, швидкість руху встановлювали рівною V=2,5 м/хв, натяг на одну кульку ?=0,025 мм, радіус робочого елементу становив R=6,35 мм.

Експериментальні зразки виготовляли з матеріалів сталь , сталь 40Х і 18ХГТ. Запропоновано рекомендації щодо вибору та впливу змащувально-охолоджувальних рідин на процес дорнування, а також методи їх подачі в зону оброблення.

Зусилля дорнування заміряли динамометрами, вмонтованими в корпус преса з ціною поділки 2 кН. Для вимірювання довжини внутрішнього діаметра зразків і інструменту використовувалися штангенциркулі з ціною поділки 0,05 мм.

Вимірювання шліцевих отворів за зовнішнім діаметром і шириною впадини виконано на інструментальному мікроскопі за допомогою оптичного щупа, який дозволяв вимірювати досліджувані величини на різній відстані від торців зразків. Для вимірювання шорсткості поверхонь, оброблених дорнуванням, використовувався профілограф-профілометр “Калібр ВЕИ”. Вихідна твердість матеріалу зразків вимірювалась на твердомірах типу НВ, ТВ, ТК.

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень дорнування внутрішніх півкруглих шліцевих канавок деталей машин і вплив режимів оброблення на шорсткість поверхні.

Під час проведення експериментальних досліджень (рис.14) досліджено вплив конструктивних та технологічних параметрів на зусилля дорнування, точність і шорсткість обробленої поверхні тощо.

Рис. 14. Обладнання для проведення експериментальних досліджень:

1 - пульт керування з датчиками заміру зусилля дорнування; 2 - корпус преса;

3 - підставка; 4 - пристрій для дорнування дорнування ПШК;

5 - оброблювана деталь; 6 – кульковий дорн; 7 – шток преса | Для теоретичного підтвердження експериментальних даних при дослідженні шорсткості дорнування півкруглих шліцевих канавок розроблено математичну модель, яка описує поведінку досліджуваного технологічного процесу та рекомендовано необхідні умови його проведення. Так, зміна шорсткості поверхні канавки Ra в процесі дорнування залежно від шорсткості вихідної заготовки Raв, отриманої на попередній операції ТП, швидкості дорнування V і натягу Д описано математичною залежністю:

, мкм (21)

де Ra – залежна і Raв, V, Д – незалежні змінні.

Експерименти планували на основі багатофакторного аналізу, тобто одночасним варіюванням усіх змінних факторів, x1(Raв), x2(V), x3(Д).

Шорсткість оброблених і вихідних поверхонь заготовки визначали за  

допомогою зразків шорсткості та профілографів-профілометрів.

Результуюча формула для визначення шорсткості поверхні в процесі дорнування півкруглих шліцевих канавок після відповідних перетворень має вигляд:

. (22)

Після статистичного аналізу результатів серії №1, коли виявилися досить великі інтервали коливань шорсткості, виконано ще серію дослідів №2 досліджень.

В результаті всіх дослідів відповідно до вище наведених розрахунків отримано уточнені коефіцієнти для визначення шорсткості поверхні ПШК після дорнування:

. (23)

Уточнення результатів становить 15,2%.

На рис. 15, зображено залежності шорсткості поверхні внутрішніх півкруглих шліцевих канавок в процесі дорнування їх кульковим дорном від швидкості руху інструменту та натягу. |

1– Д=0,4 мм; 2– Д=0,1 мм; 3– Д=0,05 мм

Рис. 15. Залежність шорсткості оброблюваної поверхні півкруглих шліцевих канавок від швидкості руху інструменту (Raв=2,5 мкм) | 1–V=0,5 м/хв; 2–V=2,5 м/хв; 3–V=5 м/хв

Рис. 16. Залежність шорсткості оброблюваної поверхні півкруглих шліцевих канавок від величини натягу при обробленні (Raв=2,5 мкм) |

З графіків видно, що шорсткість оброблених поверхонь зменшується зі збільшенням швидкості дорнування, а із збільшенням натягу – збільшується.

За результатами експериментальних досліджень зусилля дорнування (рис.17, ) проведено повнофакторний експеримент типу ПФЕ33 із виведенням регресійних залежностей для визначення зусилля дорнування на трьох рівнях варіювання факторами.

1 – 18ХГТ; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 40

Рис.17. Графік залежності зусилля дорнування від глибини канавки

(R=6,35 мм; Д=0,025 мм; м=0,1; m=12) | 1 – 18ХГТ; 2 – сталь 40Х; 3 – сталь 40

Рис.18. Графік залежності зусилля дорнування від радіуса кульки

(м=0,1; Д=0,025 мм; h=5 мм; m=12)

З графіків видно, що зусилля дорнування зростає із збільшенням глибини канавки і радіуса кульки.

Виведено проміжні та результуючі рівняння регресії для визначення зусилля дорнування дослідних зразків матеріалів сталь 40 і 18ХГТ. Побудовані поверхні відгуку (рис.19, 20) зусилля дорнування від конструктивних та технологічних параметрів. |

Рис.19. Поверхня відгуку залежності зусилля дорнування PСт40=f(R,h)

(м= 0,1) | Рис.20. Поверхня відгуку залежності зусилля дорнування =f(R,h)

(м = 0,1) |

В п’ятому розділі наведено розрахунок величини, кількості та інтервалу ремонтних розмірів для відновлення шліцевих з’єднань шляхом дорнування півкруглих шліцевих канавок. Проведено обґрунтування форми півкруглої шліцевої канавки кулькового з’єднання залежно від його функціонального призначення. Розроблено інженерну методику розрахунку конструктивних параметрів дорнувального інструменту. Наведено будову та принцип дії пристрою для контролю конструктивних параметрів півкруглих шліцевих канавок деталей машин. Наведено техніко-економічне обґрунтування запропонованої технології виготовлення ПШК.

ВИСНОВКИ

1. В дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробленні кулькових шліцевих з’єднань. Задачу вирішено шляхом використання запропонованої технології виготовлення півкруглих шліцевих канавок деталей машин, досліджено запропоновану модель процесу протягування й дорнування півкруглих шліцевих канавок, що дало можливість визначити конструктивні, силові та технологічні параметри процесу оброблення й допустимі напруження, які забезпечують раціональну технологічність конструкції інструментів і технологічних процесів їх виготовлення, а також конструктивні параметри протяжки та дорнувального інструменту. Крім цього, розроблено конструкцію контрольного інструменту для заміру конструктивних параметрів півкруглих шліцевих канавок і шорсткості їх поверхонь. Вирішення цієї задачі дозволило підвищити експлуатаційну надійність і довговічність шліцевих вузлів за рахунок відсутності концентраторів напружень на поверхнях шліцевих з’єднань, а також підвищення продуктивності праці механічного оброблення і контрольних операцій, покращити техніко-економічні показники шліцевих передач, а також покращити їх ремонтопридатність.

2. Вперше виведено аналітичні залежності для визначення конструктивних параметрів кулькових шліцевих з’єднань на основі півкруглих шліцевих канавок із тілами кочення (кульками, циліндричними роликами), які забезпечують підвищення їх експлуатаційної надійності та довговічності і на їх основі запропонувати методи розрахунку і проектування шліцевих з’єднань підвищеної експлуатаційної надійності, з кількістю ремонтних розмірів 4–6 для різних параметрів ШЗ.

3. Вперше досліджено напружено-деформований стан, що виникає на поверхні оправи інструменту в процесі дорнування внутрішніх півкруглих шліцевих канавок кулькових з’єднань механізмів машин. Виведено аналітичну залежність для визначення напружень, що виникають на поверхні оправи інструменту залежно від конструктивних і технологічних параметрів, запропоновано шляхи зниження контактних напружень технологічними методами.

4. Запропоновано конструкцію шліцевого з’єднання на 4–6 ремонтних розмірів у вигляді півкруглих шліцевих канавок і тіл обертання (кульок, роликів), яке забезпечує значне підвищення експлуатаційної надійності та довговічності. Вперше запропоновано класифікацію ПШК за технологічними й конструктивними ознаками та призначенням, повнотою виконання за радіусом і довжиною, за розміщенням відносно осі отвору, за величиною і глибиною канавки.

5. На основі теорії розмірних ланцюгів проведено розмірний аналіз конструкції дорнів для оброблення півкруглих шліцевих канавок деталей машин із визначенням розмірів проміжних та замикальної ланки, а також величини їх допусків. Записано рівняння розмірного ланцюга з визначенням зовнішніх розмірів дорна в зборі та розмірів оправи дорна для оброблення півкруглих шліцевих канавок із різним діапазоном товщини оброблюваної деталі, які становлять для товщини стінки деталі 6-30 мм мм, di = 60,12+0,08 мм, для товщини стінки деталі 30-60 мм мм, di = 60,08+0,08 мм, для товщини стінки деталі >60 мм мм, di = 60,00+0,08 мм.

6. Вперше розроблено математичну модель технологічного процесу дорнування внутрішніх півкруглих канавок із визначенням силових параметрів та режимів дорнування, що послужило вихідними даними для розроблення відповідного технологічного оснащення й дорнувального інструменту. Крім цього, встановлено раціональні режими дорнування: швидкість V=2,5 м/хв, величина піднімання на одну кульку – не більше ?=0,025 мм. Виведено аналітичні залежності та уточнено коефіцієнти залежних параметрів для визначення шорсткості в процесі дорнування півкруглих шліцевих канавок деталей машин залежно від режимів дорнування й матеріалу оброблюваних деталей.

7. На основі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено комплексну методику проектування ТП виготовлення півкруглих шліцевих канавок деталей машин із тілами кочення, яка поєднує визначення основних показників технологічних процесів виготовлення й дорнування та конструктивних параметрів технологічного оснащення за умов підвищення експлуатаційної надійності на 16–28% і твердості поверхонь шліцевої канавки на 15–18 одиниць.

8. Розроблено конструкцію шліцевої протяжки та дорна для оброблення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок, виведено аналітичні залежності для визначення величини піднімання на зуб і площу зрізу одним зубом протяжки та піднімання на одну кульку в процесі дорнування. Причому величина піднімання на кульку регулюється кутом робочого конуса оправи інструменту, який взаємодіє з кульками та знаходиться в межах б?0,5–1° залежно від заданого припуску на оброблення. Крім цього, розроблено конструкцію вимірювального інструменту для контролю конструктивних параметрів і величини шорсткості поверхні шліцевих з’єднань.

9. Спроектовано та виготовлено заготовки з внутрішніми півкруглими канавками з матеріалу сталь 40, сталь 40Х і18ХГТ і шліцевий дорн із зовнішнім діаметром di = 60,08+0,08  мм і діаметром оправи в перерізі під останньою кулькою  мм, діаметр кульок становить d=12,7 мм, матеріал ШХ40. Також розроблено пристрій для виконання технологічної операції дорнування на гідравлічному пресі моделі П6320 з максимальним зусиллям Рmax=25 кН і швидкістю V=2,5 м/хв.

10. Проведено комплекс експериментальних досліджень виготовлення півкруглих шліцевих з’єднань з тілами кочення відповідно до розробленої програми повнофакторного експерименту типу ПФЕ33. В повнофакторному експерименті виведено рівняння регресії з побудовою поверхонь відгуку та двомірних їх перерізів для визначення зусилля дорнування залежно від радіуса кульок інструменту в межах R=4–9 мм, глибини канавки h=2–6 мм, коефіцієнта тертя =0,1–0,6.

11. Розроблено інженерну методику проектування дорнувального інструменту для виготовлення півкруглих шліцевих канавок. Проведено техніко-економічне обгрунтування запропонованої технології виготовлення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок за основними показниками порівняно з базовою технологією. Проведено техніко-економічне обґрунтування запропонованої технології виготовлення півкруглих шліцевих канавок порівняно з базовою. Результати досліджень впроваджено на ВАТ “Ковельсільмаш” м. Ковель, Волинської області та Тернопільському підприємстві “Універст” з річним економічним ефектом 3257 грн. Технічну новизну захищено 6 деклараційними патентами України на винаходи.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дзюра В.О. Технологічні основи процесу дорнування півкруглих шліцевих канавок деталей машин // Вісник Тернопільського державного технічного університету.- Тернопіль, 2007.-Т9, №3.-С.102-106.

2. Дзюра В.О. Дослідження шорсткості півкруглих шліцевих поверхонь при дорнуванні // Наукові нотатки. Міжвуз. зб. за напр. “Інженерна механіка”.-Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ.-2007.-Вип.20 (2).-С.41-46.

3. Дзюра В.О. Результати експериментальних досліджень дорнування напівкруглих шліцьових канавок деталей сільськогосподарських машин при їх виготовленні і відновленні // Техніка АПК. -К.: Вип.8-9, 2007.–С.48-50.

4. В. Дзюра. Технологічний процес калібрування шліцевих отворів. // Вісник Тернопільського державного технічного університету.- Тернопіль, 2005. Т2, №2.-С.95-100;

5. Дзюра В.О. Розрахунок конструктивних параметрів протяжки для протягування півкруглих шліцевих канавок за умови рівномірного режиму її навантаження // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. Петра Василенка. .-Вип.59, Т1.-Харків, 2007.-С.440-446.

6. Гевко Б.М., Дзюра В.О., Крук В.В. Методика розрахунку ремонтопридатних кулькових шліцевих з’єднань сільськогосподарських машин // Вісник Львівського державного аграрного університету, “Агропромислові дослідження”, №11.-Львів, 2007.-С.219-223.

7. Гевко Б.М, Дзюра В.О., Романовська Л.М. Дослідження точності виготовлення і відновлення шліцевих отворів в деталях типу “тіл обертання” // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства, Вип.№21. - Харків, 2003. - С.339-343;

8. Дзюра В.О., Крук В.В., Фльонц О.В. Дослідження технологічного процесу калібрування півкруглих шліцевих канавок деталей машин // Міжвузівський збірник за напрямком “Інженерна механіка” “Наукові нотатки”, ЛДТУ, Вип.№20. - Луцьк, 2007.-С. 134-138.

9. Дзюра В.О., Крук В.В. Пiвкруглi шлiцевi з’єднання, ресурс роботи i норми їх точності. Житомирський державний технологічний університет “Процеси механічної обробки в машинобудуванні” // Збірн. наукових праць, Вип. .- Житомир, 2007.-С.181-198.

10. Гевко Б.М., Дзюра В.О. Результати експериментальних досліджень калібрування шліцевих отворів дорнами з твердосплавними пластинами “Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем” // Збірн. наукових праць, Вип.18.- Краматорськ, 2005.- С.190-195.

11. Гевко Б.М., Гурик О.Я., Зінь М.М., Дзюра В.О. Технологічні методи підвищення точності виготовлення шліцевих отворів у деталях машин. // Вісник Тернопільського державного технічного університету.-2004.-Т9 - №4,-С.45-50.

12. Патент №5475 Україна, МПК 7 В21C37/30. Дорн для обробки шліцьових отворів / Вовк Я.Ю., Гевко І.Б., Дзюра В.О. -u20040604859; Заявл. 21.06.2004, Опубл. 15.03.2005; Бюл. №3. –3с.

13. Патент №24953 Україна, МПК G01B11/22. Пристрій для контролю внутрішніх шліцевих поверхонь / Гевко І.Б., Брощак І.І., Дзюра В.О., -u200701034; та інші. Заявл. 01.02.2007, Опубл. 25.07.2007; Бюл. №11. –4с.

14. Патент №22495 Україна, МПК B21С37/15. Пристрій для обробки напівкруглих шліцевих пазів / Гевко Б.М., Дзюра В.О., Гевко І.Б. -u200612266; Заявл. 22.11.2006, Опубл. 25.04.2007; Бюл. №5. –4с.

15. Патент №23330 Україна, МПК G01B3/20. Пристрій для контролю параметрів шліцьових валів / Гевко Р.Б., Гевко І.Б., Дзюра В.О., Брощак І.І., Геник І.С. -u200611132; Заявл. 23.10.2006, Опубл. 25.05.2007; Бюл. №7. –4с.

16. Патент №18651 Україна, МПК 7F163/02. Зубчасто-шліцевий блок коробок швидкостей Гевко Б.М., Дзюра В.О. -u200605568; Заявл. 22.05.2006., Опубл. 15.11.2006; Бюл. №11. –3с.

17. Патент №26884 Україна, МПК B21C37/06. Дорн для обробки напівкруглих шліцевих пазів / Гевко Р.Б., Дзюра В.О. -u200705890; Заявл. 29.05.2007, Опубл. 10.10.2007; Бюл. №7. –3с.

18. Дзюра В. Дорн для оброблення півкруглих шліцевих отворів деталей машин. 8-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові (Проблеми енергоощадності при проектуванні виготовленні та експлуатації машинобудівних конструкцій). – Львів, 23-25травня, 2007, –С.23-24.

19. Дзюра В. Напружено-деформований стан при калібруванні півкруглих шліцевих канавок деталей машин. VI Студентська наукова конференція “Проблеми створення та технічної експлуатації машин і обладнання”. Матеріали ІІ Всеукраїнської конференції – семінару докторантів, аспірантів та по шукачів у галузі аграрної інженерії). 7-8 червня 2007р. – Кіровоград: КНТУ. – С14-15.

Анотація

Дзюра В.О. Технологічне забезпечення виготовлення внутрішніх півкруглих шліцевих канавок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя. – Тернопіль, 2007.

Робота присвячена розробленню прогресивних технологічних процесів оброблення внутрішніх шліцевих півкруглих канавок, удосконаленню їх конструкції з метою підвищення експлуатаційної надійності та довговічності технологічними методами, які мають обмежений ресурс роботи, а також покращити ремонтопридатність шліцевих передач за рахунок 4-6 ремонтних розмірів. Виведено аналітичні залежності для визначення конструктивних, силових і технологічних параметрів процесу протягування й дорнування, а також допустимі напруження, що забезпечують оптимальні умови роботи інструменту. Розроблено математичну модель та досліджено напружено-деформований стан поверхні оправи інструменту в процесі дорнування півкруглих щліцевих канавок деталей машин, на основі чого визначено оптимальні параметри процесу оброблення. Теоретично обґрунтовано конструктивні параметри протяжки та дорна для оброблення півкруглих шліцевих канавок і на основі теорії розмірних ланцюгів проведено розмірний аналіз із визначенням величини проміжних і замикальної ланок розмірного ланцюга дорна. Представлено результати експериментальних досліджень впливу конструктивних і технологічних параметрів на зусилля дорнування, показники точності й шорсткості поверхні півкруглих шліцевих канавок, аналіз яких дозволив значно підвищити довговічність шліцевих з’єднань. Визначено величину й кількість ремонтних розмірів кулькового шліцевого з’єднання, обґрунтовано форму його робочих поверхонь.

Ключові слова: технологічний процес, розмірний аналіз, шліцеве з’єднання, півкругла шліцева канавка, протяжка, дорн, кульки.

Аннотация

Дзюра В.О. Технологическое обеспечение изготовления внутренних полукруглых шлицевых канавок. – Рукопись.

Диссертация на получения научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. – Тернополь, 2007.

Работа посвящена разработке прогрессивных технологических процессов обработки внутренних шлицевых полукруглых канавок, усовершенствованию их конструкции с целью повышения эксплуатационной надежности и долговечности технологическими методами, которые имеют ограниченный ресурс работы, а также улучшить ремонтопригодность шлицевых передач.

Выведены аналитические зависимости для определения конструктивных, силовых и технологических параметров протягивания и дорнования, а также допустимые напряжения, обеспечивающие нормальные условия роботы инструмента. Разработано математическую модель и исследовано напряженно-деформированное состояние поверхности оправки инструмента в процессе дорнования полукруглых шлицевых канавок деталей машин, на основании чего определены оптимальные параметры процесса обработки, а также предложены пути снижения контактных напряжений на поверхности оправки инструмента технологическими методами.

Предложена классификация полукруглых шлицевых канавок деталей машин за конструктивными, технологическими признаками, служебным назначением.

Теоретически обоснованы конструктивные параметры протяжки и дорна для обработки полукруглых шлицевых канавок и с учетом теории размерных цепей проведен размерный анализ с определением значений промежуточных и замыкающего звеньев размерной цепи дорна. Для заданной величины натяга установлены средние значения дисперсии рассеивания соответствующих размерных параметров элементов дорна.

Рекомендованы СОЖ и их состав для обеспечения процесса дорнования, а также предложены методы их подачи в зону обработки.

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния конструктивных и технологических параметров на усилие дорнования, показатели точности и шероховатости поверхности полукруглых шлицевых канавок, анализ которых позволил значительно повысить долговечность шлицевых соединений.

Предложены прогрессивные конструкции инструментов для обработки полукруглых шлицевых канавок в зависимости от их конструктивных параметров.

Определено значение и количество ремонтных размеров шарикового шлицевого соединения и обосновано форму его рабочих поверхностей.

Разработана инженерная методика определения основных конструктивных параметров элементов дорна в зависимости от параметров обрабатываемой канавки.

Проведено технико-экономическое обоснование предложенной технологии изготовления внутренних полукруглых шлицевых канавок по основным показателям в сравнении с базовой технологией.

Ключевые слова: шлицевое соединение, полукруглая шлицевая канавка, технологический процесс, размерный анализ, протяжка, дорн, шарик.

Annotation

Dzyura V.O. Technological providing of manufacturing the semicircle slit grooves. – Manuscript.

A thesis for the scolarly degree of the Candidate of Engineering in speciality 05.02.08. – Technology of Mechanical Engineering. – Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University. – Ternopil, 2007.

The thesis sets out to the development of progressive technological processes of machining the internal slit semicircle grooves. It is dedicated to the improving of such groves’ construction, which has a limited operating life, in order to increase their exploatative reliability and durability by means of technological methods, and to prove the maintainability of slit drives. The analytical dependences to determine the structural, power and technological parameters of drawing and mandrelling as well as the admissible stresses that provide the normal conditions of instrument operation are developed. The mathematical model is developed; the stressed and deformed state of instrument holder surface when mandrelling the semicircle slit grooves of machine details is analysed. Due to this the optimum processing parameters are determined. The structural parameters of drawing and mandrelling for processing the semicircle slit grooves are substantiated. The value of intermediate and closing links of a mandrel chain is analysed on the basis of demention chain theory. The results of experimental investigations of the influence of structural and technological parameters on the mandrelling effort are presented. The indexes of preciseness and hardness of semicircle slit groove surfaces are shown, and their analysis allows to increase the durability of slit joints. The value and quantity of maintainable dementions of ball slit joint is determined and the shape of its working surfaces is substantiated.

Key words: slit joint, semicircle slit groove, technological process, dimensions analyze, drawing, mandrel, balls.