ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД“
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”
Чернишев Євген Олександрович
УДК. 621.9.06–52
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИГОТОВЛЕННЯ
СТЕРЖНЕВИХ ВИРОБІВ ІЗ ГОЛОВКОЮ НА БАЗІ
ТЕХНОЛОГІЧНИХ РОТОРНИХ МАШИН
Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник:
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор
Михайлов Олександр Миколайович,
Державний вищий навчальний заклад“
Донецький національний технічний університет”,
м. Донецьк, завідувач кафедри “
Технологія машинобудування
доктор технічних наук, професор,
Заслужений діяч науки і техніки України
Проволоцький Олександр Євдокимович,
Національна металургійна академія України,
м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри“
Технологія машинобудування
кандидат технічних наук, доцент
Воронцов Борис Сергійович
Східноукраїнський національний університет ім. В.Даля, м. Луганськ, доцент кафедри “Технологія
машинобудування
Захист відбудеться 10 квітня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.04 у Державному вищому навчальному закладі “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ДонНТУ, 6-й навчальний корпус, ауд. 6.202а.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного вищого навчального закладу “Донецький національний технічний університет” за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, ДонНТУ, 2-й навчальний корпус.
Автореферат розісланий 6 березня 2008 року
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д11.052.04,
к.т.н., доцент |
Т.Г. Івченко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Стержневі вироби з головкою (заклепки, цвяхи, шурупи зі сталі або кольорових металів) мають масовий характер споживання і виробництва. Потреба в них стабільно зростає, що пов'язано головним чином із зростанням обсягу будівельних робіт і, крім того, з їхнім використанням у виробництві й ремонті всіх видів транспорту. У 2007 році, за даними Держкомстату України, загальний обсяг будівельних робіт зріс на 15,8% порівняно з 2006 роком. У цих умовах попит на готові металовироби особливо виріс: їхнє виробництво в цілому по країні збільшилося на 19,8%. Значну частину в загальному обсязі металовиробів займають стержневі вироби з головкою. До подібних виробів також належать гільзи патронів, що є порожнистими стержнями з деформованим торцем. В дисертаційній роботі досягнення поставленої мети показано на прикладі стержневих виробів із конічною головкою.
Зараз для виготовлення стержневих виробів із головкою застосовується традиційне обладнання – автомати для холодного висадження, тобто машини дискретної дії, які за один подвійний хід повзуна забезпечують вихід одного виробу. Проте досвід експлуатації цих автоматів свідчить, що їхня продуктивність залежить від довжини виробу. Оскільки довжина виробу визначає хід повзуна і, як наслідок, радіус кривошипу й довжину шатуна, то для більш довгих виробів повзун змушений робити більший хід, але на менших швидкостях. Наприклад, паспортна продуктивність цвяхівних автоматів при довжині виробів до 50 мм досягає 12 шт/с, а при довжині 200 мм - 3 шт/с. Це обумовлено інерційним і динамічним навантаженням, а також коливаннями машин.
Слід відзначити, що (60...70)% економічного ефекту в автоматичному виробництві досягається через підвищення продуктивності обладнання. Для підвищення продуктивності виготовлення невеликих деталей типу тіл обертання з малим часом обробки, до яких належать стержневі вироби з головкою, доцільно виготовляти їх на технологічних роторних машинах, у яких транспортування та обробка здійснюються одночасно. Це дозволить підвищити ефективність їх виготовлення: виключити холості ходи машини, збільшити продуктивність, істотно підвищити ефективність використання часу циклу, знизивши при цьому швидкості й прискорення частин, що рухаються, на порядок і більше, зменшити технологічні зусилля за рахунок того, що під час обробки інструмент не затрачає додаткову роботу для подолання інерції часток матеріалу, що обробляється, забезпечити більш рівномірне споживання потужності протягом часу циклу, що буде сприяти підвищенню довговічності обладнання. Усе це можна узагальнити як підвищення ефективності виготовлення стержневих виробів із головкою.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до плану НДР ДВНЗ „Донецький національний технічний університет” за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки “Ресурсозберігаючі та енергоефективні технології машинобудування” Міністерства освіти і науки України, а також у межах державної теми Н-3-03 “Удосконалення розробки технологічних процесів у машинобудуванні”.
Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи – підвищення ефективності виготовлення стержневих виробів із головкою на базі технологічних роторних машин через забезпечення раціональних технологічних і конструктивних параметрів і спрощення кінематичної структури.
Для досягнення мети вирішуються такі завдання:
1) розробити методику та алгоритм дослідження на базі системного підходу;
2) розробити універсальну кінематичну модель технологічного впливу (ТВ) і обрати найбільш раціональний варіант ТВ для висадження головок стержневих виробів;
3) провести експериментальні дослідження залежності параметрів точності обробки висадженням від технологічних і конструктивних параметрів роторної машини за обраною схемою;
4) встановити теоретично взаємозв'язок конструктивних параметрів ротора з амплітудами його крутильних коливань;
5) розробити кількісні критерії вибору раціональних конструктивних параметрів роторних машин;
6) визначити взаємозв'язок раціональних конструктивних параметрів ротора з допуском на технологічний розмір і довжину заготовки;
7) розробити загальний алгоритм синтезу роторних машин для висадження головок стержневих виробів і рекомендації з їх проектування.
Об'єкт дослідження – технологія виготовлення стержневих виробів із головкою.
Предмет дослідження – технологічний ротор для висадження головок стержневих виробів.
Методи дослідження. У дисертаційній роботі дослідження виконані у межах системного підходу, де технологічна роторна машина для висадження головок стержневих виробів є системою, блок технологічного впливу (БТВ) – елементом системи.
Методами морфологічного синтезу та алгебри логіки розроблено універсальну кінематичну модель ТВ. З використанням методів аналітичної геометрії створено математичну модель руху інструмента і заготовки в роторній машині. Методом порівняльного аналізу виконано вибір найбільш раціонального варіанту схеми обробки для висадження головок стержневих виробів. Експериментальні дослідження параметрів точності базувалися на методі планування експерименту. Отримані результати було оброблено методами статистики, і методом найменших квадратів знайдено рівняння регресії.
При розробленні математичної моделі динамічних процесів, які відбуваються у роторі для висадження головок, використовувалися методи аналітичної механіки. Диференційні рівняння динаміки вирішувалися чисельними методами Рунге-Кутта 4-го порядку з адаптивним підбором кроку та екстраполяційним методом Булірша-Штера, що показали задовільну збіжність результатів із відносною похибкою . Для аналізу динамічного стану ротора застосовано метод відображення Пуанкаре.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Вперше створено математичну модель функціонування технологічного ротора для висадження головок стержневих виробів, яка пов’язує технологічні показники (продуктивність, середнє число заготовок, що одночасно обробляються, число позицій), конструктивні параметри (радіус початкової окружності ротора, число позицій, кут нутації, як кут відносного перекосу початкових окружностей інструментальної планшайби та планшайби із заготовками) та динамічні характеристики (амплітуди крутильних коливань ротора).
2. Вперше встановлено, що на динаміку ротора основний вплив чинить коефіцієнт перекриття ротора, який, крім того, є узагальненим конструктивним параметром, тому що вплив кожного окремого конструктивного параметра проявляється опосередковано, через коефіцієнт перекриття ротора.
3. Вперше доведено, що для роторних машин середнє число заготовок, що одночасно обробляються, коефіцієнт перекриття й коефіцієнт продуктивності – це одне й те ж.
4. Вперше запропоновано кількісні показники нелінійних і параметричних властивостей технологічного ротора як нелінійної динамічної системи з кінематичним збудженням і встановлено їхні залежності від коефіцієнта перекриття. Аналітично показано, що в роторі внаслідок кінематичного способа збудження можливий параметричний резонанс.
5. Вперше встановлено, що коефіцієнт перекриття ротора якісно впливає однаково на максимальні амплітуди крутильних коливань ротора і середню потенційну енергію пружної деформації крутіння.
На захист винесені такі наукові положення:
- середнє число заготовок, що одночасно обробляються, та амплітуди крутильних коливань ротора зв'язані періодичною залежністю через коефіцієнт перекриття ротора;
- області значень коефіцієнта перекриття ротора відповідають областям найменших амплітуд крутильних коливань ротора, величина яких обернено пропорційна квадрату продуктивності у разі заданих конструктивних параметрах і відношенні частот.
Практичне значення отриманих результатів.
1. Запропоновано нову схему обробки на роторних машинах із кінематикою відносної регулярної прецесії, яка дозволяє скасувати спеціальний механізм робочого ходу і спростити конструкцію машини. Розроблено загальну методику синтезу кінематичних схем технологічного впливу, яка дозволяє генерувати різні варіанти кінематики роторних машин.
2. Експериментально встановлено, що параметри точності – відхилення від співвісності й круглості - за новою схемою обробки не залежать від кута нутації, а визначаються вильотом стержня. Середні значення параметрів точності мінімум у 2 рази менше ніж максимально припустимі, які передбачені стандартом. З точки зору точності обробки допуск на технологічний розмір (виліт) і довжину заготовки може бути не менше ніж 4/9 діаметра стержня.
3. Визначено кількісні критерії вибору раціональних конструктивних параметрів роторних машин за критерієм мінімальних амплітуд крутильних коливань: номінальний коефіцієнт перекриття ротора має бути натуральним числом, а радіус початкової окружності, по можливості, найменшим.
4. Показано, що використання роторних машин для висадження головки підвищить коефіцієнт продуктивності в 40...100 разів порівняно з автоматами для холодного висадження (з 0,05 до 2…5), тобто істотно збільшить ефективність використання часу циклу.
5. Розроблено загальну методику синтезу і рекомендації до проектування роторних машин для висадження головок стержневих виробів, які прийняті до впровадження на ЗАТ “Артемівський машинобудівний завод “ВІСТЕК” і Сніжнянському машинобудівному заводі ВАТ “Мотор Січ”. Встановлено, що використання технологічних роторних машин для висадження головок і редуціювання стержня дозволить підвищити продуктивність виготовлення деталей типу вісь у 1,5...2 рази порівняно з обробкою на пресах. Очікуваний річний економічний ефект, за даними Сніжнянського заводу, становить 100 тис. грн.
Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати отримані автором самостійно. Постановку завдань і аналіз результатів виконано разом із науковим керівником. Автор також глибоко вдячний доцентам кафедри технології машинобудування ДонНТУ Іщенко О.Л., Матвієнко А.В., Феніку Л.М. і професору Дворнікову В.І. (кафедра гірничозаводського транспорту і логістики ДонНТУ) за цінні консультації і зауваження під час роботи над дисертацією.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертації доповідалися на XI, XII, XIII, XIV міжнародних науково-технічних конференціях “Машинобудування і техносфера XXI століття” (м. Севастополь, 2004, 2005, 2006, 2007 рр.), на VI, VII науково-практичних семінарах “Практика і перспективи розвитку партнерства в сфері вищої школи” (м. Донецьк, 2005, 2007 рр.), на III науково-практичній конференції “Донбас-2020: наука і техніка – виробництву” (м. Донецьк, 2006 р.), на кафедрі “Технологія і керування якістю в машинобудуванні” УІПА (м. Харків, 2007 р.), на Сніжнянському машинобудівному заводі ВАТ “Мотор Січ” (м. Сніжне, 2007 р.) і на засіданнях кафедри технології машинобудування ДонНТУ (2005 – 2007 рр.).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 20 робіт, з яких 6 у фахових виданнях, 3 патенти Україн, 11 статей і тез доповідей.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків, переліку використаних джерел з 211 найменувань і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 208 сторінок, у тому числі 144 сторінки основної частини, 67 рисунків, 9 таблиць і додатки на 20 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі - „Сучасний стан питання дослідження. Мета і завдання роботи” - проведено аналіз сучасного стану виготовлення стержневих виробів із головкою на основі праць Г.А. Навроцького, Ю.А. Миропольського, І.Н. Недовізія, Ю.В. Владімірова, В.Я. Герасимова, А.Н. Гладких, Л.С. Кохана, П.С. Рігманта, В.В. Лебедєва, П.С. Лернера, Н.Т. Деордієва й інших авторів. Як показав аналіз, до сьогодні для виготовлення зазначених виробів використовуються автомати дискретної дії. Тому єдиний шлях підвищення продуктивності – збільшення робочих швидкостей. Проте досвід експлуатації, наприклад, цвяхівних автоматів свідчить, що подальше збільшення швидкостей неможливе через високе динамічне та інерційне навантаження і коливання машин. Для більш довгих виробів повзун змушений робити більший хід, але на менших швидкостях. На практиці це означає, що продуктивність знижується приблизно в оберненій залежності від довжини виробу.
З метою дослідження можливих шляхів збільшення продуктивності і підвищення ефективності використання часу циклу під час висадження головки був проведений аналіз питання автоматизації виготовлення стержневих виробів із головкою. На основі праць Г.А. Шаумяна, А.Р. Сафарянца, Л.Н. Кошкіна, В.Ф. Прейса, І.А. Клусова, Л.І. Волчкевича, М.М. Кузнєцова, В.В. Прейса, А.І. Дащенка, Н.В. Волкова, В.І. Золотухіна, У.І. Семенова, Е.Е. Кольман-Іванова, В.А. Остаф’єва та інших авторів було встановлено, що розглянуті вироби відповідають основним вимогам для обробки на технологічних машинах III класу – роторних машинах.
Однак роботи основоположників теорії роторних машин є узагальненням досвіду їхнього конструювання та експлуатації. Важливою задачею залишається теоретичне визначення раціональних технологічних і конструктивних параметрів ротора, які під час роботи забезпечили б найбільш сприятливий динамічний режим. Актуальним є також питання, наскільки широка область (або області) раціональних параметрів ротора і чи не є вона невигідною практично, представляючи лише теоретичний інтерес. Динамічні процеси в роторі будуть також залежити від того, з яким допуском на довжину відрізано заготовку. Тому слід визначити взаємозв'язок раціональних конструктивних параметрів ротора з допуском на технологічний розмір і довжину заготовки. Рішення цієї задачі дозволить на стадії проектування обирати найбільш раціональні параметри ротора з урахуванням точності відрізки заготовки. Оскільки автоматизація повинна передбачати найпростіші кінематичні рішення, то на основі проведеного аналізу було поставлено мету роботи - підвищення ефективності виготовлення стержневих виробів із головкою на базі технологічних роторних машин через забезпечення раціональних технологічних і конструктивних параметрів і спрощення кінематичної структури.
У другому розділі – „Загальний підхід і методика дослідження” - запропоновано методологічну основу проведення дослідження. У межах системного підходу технологічний ротор для висадження головок стержневих виробів є системою, БТВ є елементом системи.
На рис. 1 наведено структурно-логічну схему роботи, що складається з трьох основних етапів: 1) кінематичного синтезу схем ТВ і вибору раціональної схеми обробки, 2) експериментальних досліджень параметрів точності за обраною схемою і 3) теоретичного визначення раціональних параметрів ротора на основі аналізу динамічних процесів.
Рис. 1. Структурно-логічна схема роботи
Дослідження, що виконані в дисертаційній роботі, базуються на двох основних принципах – спрощення кінематики та узагальненого конструктивного параметра.
Принцип спрощення кінематики полягає в тому, що схема обробки має бути кінематично якомога простішою, що спростить її конструктивну реалізацію. У дисертаційній роботі показаний зв'язок цієї вихідної посилки з наступним експериментальним дослідженням, а саме: спрощенням конструкції машини через скасування спеціального механізму робочого ходу при забезпеченні точності обробки.
Принцип узагальненого параметра стосується теоретичного дослідження динамічних процесів у технологічному роторі і визначенню його раціональних параметрів. У роботі було зроблено таке припущення: параметри ротора впливають на амплітуди крутильних коливань не відокремлено, а об'єднані деяким узагальненим конструктивним параметром. Тому для забезпечення мінімальної віброактивності машини необхідно підбирати чітко визначені значення узагальненого параметра. У дисертаційній роботі знайдений узагальнений параметр і визначені його оптимальні значення.
У третьому розділі – „Кінематичний синтез технологічного ротора” – виконано кінематичний синтез схем ТВ для висадження головок на роторних машинах із використанням морфологічного підходу.
Було отримано універсальну логічну модель можливих варіантів руху інструмента і заготовки, яка дозволяє створювати різні варіанти руху інструмента і заготовки, серед яких можуть бути і потенційно нові кінематичні схеми обробки. На основі отриманих символьних моделей був запропонований аналітичний опис траєкторій руху інструмента і заготовки в роторі в параметричній формі. У результаті порівняльного аналізу різних кінематичних схем було встановлено, що зі збільшенням числа елементарних рухів зростає і складність конструктивної реалізації кінематичної схеми. Тому спрямований пошук проводився серед найпростіших схем. Були отримані принципово-структурні моделі п'яти схем (рис. 2), дві з яких (М1 і М2) відомі: вони засновані на зворотно-поступальному русі інструмента в осьовому і радіальному напрямку відповідно.
Рис. 2. Принципово-структурні моделі виробничої частини ротора для
п‘яти найбільш простих схем
Моделі М3, М4 і М5 раніше не використовувалися, хоча вони мають просту кінематику: М3 – кінематику фрикційної передачі, М4 – циліндричні зубчастої пари, М5 – відносної регулярної прецесії (відносно заготовки інструмент під час обертання здійснює прецесійний рух і технологічний уздовж осі обертання). Для порівняння цих трьох схем і вибору з них найбільш раціональної схеми було проведено аналіз кінематики за умови відсутності у ротора холостих ходів. Ця умова пояснюється на моделі М4 (рис. 3), у якій робочий кут повинен задовольняти умові: , де - кут тертя в парі “дріт – інструмент”, Rp, Ri - радіуси відповідно ротора та інструмента. Через те що робочий кут становить 4...5?, то в роторі одночасно висаджується не більше однієї головки, а ротор періодично і більшу частину часу циклу працює на холостому ході. Коефіцієнт продуктивності такої роторної машини буде приблизно 0,1. Це означає, що близько 90% часу циклу ротор буде працювати на холостому ході, що спостерігається в автоматах дискретної дії. Тому дана схема, хоча є кінематично простою, не використовує основні переваги роторних машин.
У моделі М3 (рис. 4), що також має коефіцієнт продуктивності близько 0,1 і більшу частину часу циклу працює на холостому ході, присутнє, крім того, відносне ковзання інструмента і заготовки, позначене s. Наведені такі позначення: - радіус інструмента, - радіус початкової окружності ротора, – висота виступаючого дроту (тобто величина робочого ходу), - відповідно робочі кути для інструмента і ротора, - кутові швидкості відповідно інструмента і ротора. Робочий кут для інструмента визначається таким чином: . За умови рівності колових швидкостей маємо . Через те що відносне ковзання , то, приймаючи радіуси рівними, одержуємо, що , тобто ковзання інструмента дорівнює величині робочого ходу. Як показали подальші експериментальні дослідження, у разі такого відносного ковзанні головка висаджується косо і має велике відхилення від співвісності зі стержнем. З цієї причини модель М3 не може розглядатися як можливий варіант обробки, незважаючи на конструктивну простоту.
Рис. 3. Схема до розрахунку робочого кута ротора (модель М4)
Рис. 4. Схема до розрахунку відносного ковзання (модель М3)
Модель М5 не має виявлених недоліків, подібних зазначеним вище, однак характерною властивостю даної схеми є невеликий нахил інструмента. Цей фактор є побічним ефектом тієї переваги схеми обробки, що механізм робочого ходу скасовується, тому що інструмент простим транспортуванням забезпечує технологічний рух. У разі жорсткого закріплення інструмента цей нахил є причиною того, що процес висадження головки принципово відрізняється від вісесиметричного процесу, і прогнозувати заздалегідь точність висадженої головки неможливо. Однак малий кут нахилу, необхідний для забезпечення робочого ходу інструмента, дозволив зробити припущення про принципову здійсненість даної схеми обробки, що було досліджено експериментально.
У четвертому розділі – „Експериментальні дослідження параметрів точності за новою схемою обробки з кінематикою відносної регулярної прецесії” – наведено результати експериментальних досліджень параметрів точності. Основна ідея експериментальних досліджень полягає у тому, що висадження головок можна здійснювати при невеликому нахилі пуансона. Мета експериментальних досліджень: встановити, наскільки здійсненна для висадження головки нова схема обробки, і визначити залежність параметрів точності виробу від кута нутації та вильоту заготовки.
Експериментальні дослідження проводилися на експериментальному пристрої (схему якого наведено на рис. 5), що моделює роботу технологічного ротора з кінематикою відносної регулярної прецесії.
Для експериментальних досліджень використовувався пластичний матеріал – алюміній електротехнічного призначення (АД) із тимчасовим опором МПа. Заготовки – дріт діаметром 2,25 мм (площа поперечного перерізу 4 мм2). Довжини – 3, 3,5 і 4 мм.
Оброблені вироби піддавалися контролю на відхилення від круглості головки (ВК) і співвісності (ВС) головки і стержня.
Для порівняння були проведені попередні експерименти з метою визначення основної відміни обробки на роторній машині у разі деякого кута нутації (рис. 6,а) і обробки на пресі з поступальним переміщенням пуансона, нахиленим під тим же кутом (рис. 6,б). Пуансон і матриця закріплювалися жорстко.
Рис. 5. Схема експериментального пристрою
Рис. 6. Схеми обробки: а – з кінематикою відносної регулярної прецесії;
б – з поступальним переміщенням пуансона під кутом
Порівняльні експерименти показали, що у разі обробки на пресі в головки утворюється витягнутість (рис. 7,а), у той час як у разі обробки на роторі цього не спостерігалося (рис. 7,б). Цей факт можна пояснити таким чином: через те що під час обертання ротора пуансон здійснював відносно заготовки регулярну прецесію, площина найбільшого відносного перекосу також здійснювала регулярну прецесію, тобто безупинно змінювала своє положення, не даючи можливості утворитися великому ВК. Головка при цьому наче “розкочувалася”, а потенційна овальність розподілялася на тому кутовому секторі, на якому відбувалося прецесійне висадження. Цей результат помітний на рис. 7,б
Проте ВС головки і стержня в обох випадках була досить велика. На рис. 8 подано фотографії головок на виді збоку. Для головки, висадженої на пресі, це є наслідком ВК в одному радіальному напрямку (наявності витягнутості). Для заготовки, висадженої на роторі, це пояснюється тим, що розроблений експериментальний пристрій давав відносне ковзання інструмента і заготовки, викликане тим, що перекіс інструментального диска здійснювався поворотом верхнього вузла (рис. 5). Внаслідок цього головка мала порівняно мале ВК через прецесію інструмента, але досить велике ВС, що викликане відносним ковзанням інструмента. Для характерних заготовок, зображених на рис. 7, 8, ВК становить: 0,28 мм у разі висадження на пресі; 0,05 мм – на роторі. ВС: 0,43 мм – на пресі; 0,23 мм – на роторі. Оскільки попередні експерименти проводилися з метою визначення якісної відміни двох варіантів обробки, то дисперсії не визначалися.
Дані попередніх експериментів показали перевагу висадження на роторі – мале ВК внаслідок прецесії інструмента. Але у разі жорсткого закріплення пуансона його площина не перпендикулярна осі заготовки, внаслідок чого відносне ковзання приводить до збільшення ВС.
Було запропоновано таке рішення: під час висадження пуансон повинен мати можливість самоустановлення з максимально можливим перекосом, обумовленим тільки зазором у парі “пуансон - напрямна втулка”. Зміни в конструкції БТВ експериментального пристрою було внесено відповідно до схеми на рис. 9.
Рис. 7. Фотографії головок дротових виробів (вид зверху): а – у разі обробки на пресі;
б – у разі обробки на роторі
Рис. 8. Фотографії головок дротових виробів (вид збоку): а – у разі обробки на пресі;
б – у разі обробки на роторі
Пуансон здійснював висадження під час безперервного транспортування – обертання навколо осі ротора, здійснюючи складний рух відносно інструментального диска. При цьому кут нутації був тільки засобом додавання до транспортного руху вертикальної складової, що забезпечує висадження. За такою схемою і були проведені експериментальні дослідження.
Вхідними факторами є: кут нутації (кут перекосу дисків у роторі); виліт дроту , віднесений до її діаметра , тобто , де Н – відносний виліт дроту. Треба було визначити:
1) чи існує максимально припустимий кут нутації з точки зору точності обробки або він визначається тільки можливістю самоустановлення в напрямній втулці без заклинювання;
2) допуск на технологічний розмір (виліт дроту) з точки зору точності обробки.
Вихідними параметрами є параметри точності – ВК головки і ВС головки і стержня. Було проведено повний факторний експеримент при трьох рівнях кожного фактора.
На основі попередніх досліджень було встановлено, що у разі мм метал заповнює матрицю найбільш повно і симетрично, але не утворює залишкового облою. Це значення було обрано як основний рівень, а інтервал варіювання прийнятий рівним 0,5 мм (що також було визначено попередніми експериментами). Такми чином, технологічний розмір становив 3, 3,5 і 4 мм, що дозволяло визначити передбачуваний допуск на технологічний розмір. Фактор Н мав такі значення (для зручності записані у звичайних дробах): . Інтервал змінювання кута нутації - 4...6°. Кута, меншого за 4°, не вистачало для забезпечення робочого ходу через невеликі розміри пристрою, а у разі кута, більшого ніж 6°, з'являлося інтенсивне тертя в парі “пуансон - втулка”.
Рис. 9. Схема БТВ із самоустановленням пуансона (болти для фіксації втулки не показані)
У таблиці 1 наведено підсумкові результати експериментальних досліджень.
Рівняння регресії для параметра ВК:
,
де - відхилення від круглості, мм.
Рівняння регресії для параметра ВС:
,
де - відхилення від співвісності, мм, - кут нутації, град.
Таблиця 1
Результати експериментальних досліджень, мм
Н
4° | 5° | 6°
12/9 | 0,05 / 0,11 / 3,85 | 0,04 / 0,13 / 4,22 | 0,06 / 0,11 / 4,09
14/9 | 0,04 / 0,16 / 4,38 | 0,05 / 0,10 / 4,46 | 0,06 / 0,14 / 4,38
16/9 | 0,05 / 0,09 / 4,55 | 0,07 / 0,13 / 4,58 | 0,07 / 0,09 / 4,59
Примітка. Дані наведені у виді “ВК / ВС / середній діаметр головки”
Розрахункове значення критерію Фішера було відповідно 1,3 і 1,2 при табличному значенні 3,6. Тому отримані моделі можна вважати адекватними експерименту. На рис. 10, 11 наведено поверхні відгуку для досліджених параметрів.
Отримані моделі свідчать про те, що кут нутації впливає значно слабкіше, ніж виліт дроту. Це побічно підтверджує те, що пуансон під час висадження здійснював самоустановлення в напрямній втулці. Середні значення ВС знаходяться в межах (0,09...0,16) мм за допуском 0,3 мм. Довірчий інтервал становить 0,09 мм. Середні значення ВК знаходяться в межах (0,04...0,07) мм за допуском 0,4 мм. Довірчий інтервал становить 0,03 мм. Отже, обидва параметри точності відповідають вимогам стандарту із запасом: не менше ніж 0,05 мм для ВС і 0,3 мм для ВК.
Результати вимірів середнього діаметра головок показали, що, з одного боку, зі збільшенням вильоту розкид діаметрів зменшується, з іншого боку – навіть у разі явного недоштампування отримані головки відповідали необхідним параметрам. Це дає можливість на практиці збільшити допуск на технологічний розмір за рахунок збільшення діаметра порожнини матриці. У даному випадку допуск 1 мм не викликав помітного відхилення від припустимих значень ВК і ВС.
Рис. 10. Поверхня відгуку для параметра ВК
Рис. 11. Поверхня відгуку для параметра ВС
Таким чином, експериментальні дослідження виявили, що у разі обробки з кінематикою відносної регулярної прецесії в умовах самоустановлення пуансона кут нутації не впливає на ВК головки і досить слабко впливає на ВС головки і стержня. Більш значущий виліт дроту, що пропорційний ВК та у більшому ступені визначає ВС. З точки зору точності обробки не спостерігається максимально припустимого кута нутації, він визначається тільки можливістю самоустановлення в напрямній втулці без заклинювання і забезпечення необхідної величини робочого ходу. Максимальний допуск на технологічний розмір – виліт дроту – не менше ніж 4/9 діаметра дроту.
Якісний результат експерименту можна сформулювати таким чином: для розглянутого діапазону кутів і вильоту дроту середні значення ВК мінімум у 5 разів менше ніж максимально припустиме, ВС - мінімум у 2 рази. Тому з точки зору точності нова схема обробки принципово здійсненна.
П'ятий розділ – „Теоретичне визначення раціональних параметрів технологічного ротора для висадження на основі аналізу динамічних процесів” - присвячено теоретичному визначенню раціональних технологічних і конструктивних параметрів роторних машин стосовно, зокрема, дослідженої схеми. Основна ідея теоретичних досліджень полягає у тому, що усі параметри ротора (як динамічної системи) зв’язані в одне ціле і вплив кожного параметра окремо виявляється як частина загальної закономірності. Технологічні параметри – продуктивність, допуск на виліт і довжину заготовки, число позицій ротора. Конструктивні параметри – число позицій ротора (є одночасно конструктивним і технологічним), радіус початкової окружності, кут нутації. Критерій – мінімум максимальних амплітуд крутильних коливань ротора. Причина крутильних коливань – періодичний стрибкоподібний характер крутного моменту сил опору на валу ротора. Стрибкоподібний характер часткових збуджень пояснюється особливістю силового режиму під час висадження – практично миттєвим зняттям навантаження по досягненні максимального зусилля деформування.
Було проведено аналіз теоретичних досліджень по динаміці роторних машин на основі праць В.Н. Тіліпалова, Е.Е. Кольман-Іванова, І.Ф. Корнюхіна, В.А. Крюкова, В.В. Прейса та інших вчених. В основу розробленої аналітичної моделі динамічних процесів у роторних машинах було покладено експоненціальну залежність зусилля висадження від абсолютної деформації, що експериментально отримана Г.А. Навроцьким, Ю.А. Миропольським, Н.Т. Деордієвим, В.В. Лебедєвим і іншими авторами, а також припущення про малість контактних деформацій і деформацій згину елементів ротора, які не враховувалися.
Було розглянуто схему ротора (рис. 12) з жорстко закріпленими інструментами, у якій нахил пуансона однозначно заданий від часу, і отримано аналітичну залежність (рис. 13, для 12 позицій) крутного моменту сил опору на валу у разі сталого режиму роботи, тобто під час обертання ротора з постійною кутовою швидкістю ?.
Рис. 12. Конструктивна схема ротора з жорстко закріпленими інструментами
Рис. 13. Аналітична залежністькрутного моменту сил опору обертанню від кута
повороту ротора
Теоретичне дослідження динамічних процесів під час роботи ротора виконано в межах диференційних рівнянь динамічної взаємодії двох тіл – двигуна і ротора. Під терміном “двигун” мається на увазі сукупність елементів приводу, що обертаються, і передавальних механізмів, з'єднаних між собою пружними зв'язками. У разі постійної крутильної жорсткості з урахуванням дисипації енергії в рамках гіпотези внутрішнього тертя рівняння динамічної взаємодії мають такий вигляд:
(1)
де – відповідно момент інерції і кут повороту двигуна, приведені до тихохідного вала редуктора; – відповідно момент інерції і кут повороту ротора; – коефіцієнт дисипації енергії; – приведена крутильна жорсткість; – приведений до тихохідного вала крутний момент, який розвиває двигун; t - час.
Розвязання системи (1) шукалося у формі розкладання по власних векторах скалярних координатних періодичних функцій і , тобто у виді ряду з двох членів. За фізичним змістом під час сталого руху перша координатна функція - це безперервне монотонне обертання ротора (з нульовою частотою), друга – малі крутильні коливання. Для цих функцій отримані рівняння
тобто , при цьому , а друге рівняння приведено до виду
.
Для малої центрованої лібрації було отримано лінійне рівняння з періодичним коефіцієнтом при в лівій частині, до якого входить параметр , де U – число позицій ротора, - амплітуда першої гармоніки правої частини, розкладеної в ряд Фур'є. Внаслідок цього ротор можна вважати параметричною системою, параметричні властивості якої залежать від нелінійних властивостей правої частини. Для оцінювання параметричних і нелінійних властивостей було запропоновано кількісні показники: для оцінювання нелінійності – похибка рівності Парсеваля (із заміною нескінченного ряду частковою сумою), для оцінювання параметричних властивостей - середньоінтегральне по модулю відхилення періодичного коефіцієнта від 1, позначене .
Було встановлено узагальнений конструктивний параметр ротора – коефіцієнт перекриття ротора . Він дорівнює відношенню робочого кута до кутового кроку і показує середню (за період) кількість заготовок, що одночасно обробляються. Для ротора з кінематикою відносної регулярної прецесії
(2)
тобто містить усі три конструктивних параметри ротора: радіус початкової окружності ротора , кут нутації і число позицій . Подальший аналіз динаміки ротора виконано як аналіз системи з одним конструктивним (безрозмірним) параметром - коефіцієнтом перекриття. Було отримано такі результати.
Нелінійність крутного моменту (рис. 14,а) зростає у разі , після чого настає періодичність із максимумами нелінійності у разі цілочисельних значень . “Параметричність”, навпаки, у разі зменшується (рис. 14,б), після чого досягає мінімального практично стаціонарного значення. Отримані залежності відображають функціональний взаємозв'язок між середнім числом заготовок, що одночасно обробляються, і динамічним станом ротора.“
Параметричність” ротора обумовлює можливість параметричного резонансу. З використанням теорії Флоке-Ляпунова були визначені області параметричного резонансу, тобто небезпечні інтервали відношення частот для кожного значення параметра . Однак, оскільки - величина порядку 10-3, небезпечними значеннями можна вважати просто числа .
Рис. 14. Залежність від коефіцієнта перекриття ротора показника (а) нелінійних і
показника (б) параметричних властивостей
Рис. 15. Залежність і від
Було досліджено вплив продуктивності ротора на амплітуди у разі заданих числа позицій і відношенні частот. Отримане аналітичним способом рівняння містить постійний множник перед правою частиною ( - циклова продуктивність). Тому у разі заданих конструктивних параметрів ротора і відношенні частот амплітуди крутильних коливань обернено пропорційні квадрату продуктивності, тобто з підвищенням продуктивності амплітуди зменшуються.
Найбільш важливим результатом є отримана залежність амплітуд крутильних коливань ротора від коефіцієнта перекриття – узагальненого конструктивного параметра. Були отримані залежності як для максимальної амплітуди , так і для середньоінтегрального значення квадрата малих кутових переміщень , що є середньою питомою потенційною енергією пружної деформації крутіння, яка впливає на довговічність ротора. Графіки цих залежностей наведено на рис. 15. Слід відзначити принципову періодичність цих функцій, мінімуми яких спостерігаються у разі цілочисельних значень . Це означає, що мінімальні коливання спостерігаються тоді, коли в роторі в середньому одночасно обробляється ціле число заготовок. Тому проектувати роторні машини слід за умови рівності цілому числу.
Через те що одне й те ж значення можна реалізувати різним сполученням конструктивних параметрів, необхідно зазначити, що радіус ротора повинен бути якомога меншим, тому що радіус входить майже як постійний множник у правій частині рівняння динаміки – функції Мс крутного моменту. Число позицій бажано приймати максимально можливим з метою зниження кутової швидкості обертання ротора. Кут нутації, як показали експерименти, впливає слабко на якість обробки. Отже, основні вимоги до раціональних параметрів ротора – цілочисельний коефіцієнт перекриття і мінімальний радіус ротора.
Проте не всі цілочисельні значення рівноцінні. Зі збільшенням зменшується допуск на розмір вильоту дроту, що дозволяє коефіцієнту перекриття відхилятися від цілого числа не більше ніж на 0,1, тобто знаходитися в межах мінімальних амплітуд коливань машини. Тому чим менше , тим більший допуск на виліт і, як наслідок, довжину заготовки припускають самі умови забезпечення мінімальної віброактивности ротора. Тому зі збільшенням , щоб потрапити в область його припустимих значень, допуск на довжину й виліт заготовки необхідно зменшувати. І навпаки: у разі відрізки заготовок із невеликим допуском можна збільшувати, у разі неточної відрізки з великим допуском бажано приймати якомога меншим, але не 1, тому що ротор періодично буде працювати на холостому ході, тобто можливі удари, періодичні “віднульові” стрибки напружень у деталях і т.ін. Але найбільш важливо те, що між допуском на довжину заготовки й раціональними значеннями узагальненого параметра ротора існує зв'язок. Це зв'язок між технологічними й конструктивними параметрами ротора через динамічні характеристики.
Крім того, у роботі показано, що коефіцієнт перекриття і коефіцієнт продуктивності для роторних машин – це одне й те ж. Таким чином, оптимальним (за критерієм мінімуму амплітуд крутильних коливань) є випадок, коли циклова продуктивність ротора перевершує технологічну в ціле число раз. Це підкреслює те, наскільки важливим є раціональне використання часу циклу.
Вплив конструктивних параметрів ротора окремо на ефективну потужність на валу незначний у разі постійної продуктивності. Наприклад, у разі збільшення кута нутації в 6 разів - з 1° до 6° - ефективна потужність зростає на 50% через збільшення сил, що діють у площині, перпендикулярній осі головного вала. Зі збільшенням радіуса ротора в 3 рази – з 200 мм до 600 мм – потужність зростає на 60% через збільшення згинального моменту, що діє на вал ротора. Число позицій практично не впливає на потужність, тому що його збільшення означає пропорційне зниження кутової швидкості обертання ротора, і навпаки. Порівняно слабкий вплив кута нутації і радіуса на потужність пояснюється тим, що їхня зміна слабко впливає на зміну коефіцієнта перекриття (2).
Шостий розділ – „Загальний алгоритм синтезу роторних машин для висадження головок стержневих виробів. Впровадження результатів дисертаційної роботи” – присвячено розробленню алгоритму проектування технологічних роторних машин для висадження, а також наданню основних відомостей щодо впровадження результатів роботи. Встановлені експериментально і теоретично закономірності дозволили розробити “Методику проектування і розрахунку конструктивних параметрів технологічних роторних машин”, що прийнята Артемівським і Сніжнянським машинобудівними заводами, Донецьким ПКТІ і впроваджена в навчальному процесі в ДонНТУ. За даними Сніжнянського заводу, використання технологічних роторних машин для висадження головки й редуціювання стержня дозволить підвищити продуктивність виготовлення деталей типу вісь у 1,5...2 рази порівняно з обробкою на пресах. Очікуваний річний економічний ефект становить 100 тис. грн.
ВИСНОВКИ
Дисертація присвячена рішенню актуальної науково-практичної задачі, що полягає у підвищенні ефективності виготовлення стержневих виробів із головкою через застосування технологічних роторних машин. Результатом роботи є наукові та методичні положення щодо проектування роторних машин для висадження.
Висновки та результати роботи сформульовані в наступних положеннях:
1. Запропоновано нову схему обробки з кінематикою відносної регулярної прецесії, що скасувала спеціальний механізм робочого ходу й спростила конструкцію
