Фрезоточение разнонаправленных резьб на примере обработки радиаторных ниппелей

Для системы отоплении жилых общественных и производственных зданий повышенной этажности с температурой теплоносителя до 130 °C (в том числе и в паровых системах отопления) и рабочим избыточным давлением до 1,2 МПа (12кгс/см~) широко применяют чугунные секционные отопительные радиаторы. Прочностные характеристики радиаторов гарантируются испытательным давлением не менее 1,8 МПа (18 кгс/см").

Секционные чугунные радиаторы начали выпускать более ста лет назад. Их использовали сначала в системах парового отопления, а затем в центральных системах водяного отопления. Классические чугунные радиаторы советского производства МС-140 установлены во многих старых российских домах.

Преимущество чугунных радиаторов в их высокой надежности и большом сроке службы (более пятидесяти лет). Радиатор состоит из секций, изготовленных из качественного литейного чугуна, которые соединены ниппелями из ковкого чугуна. Большой диаметр проходного сечения делают чугунные радиаторы неприхотливыми к качеству теплоносителя, и позволяет использовать загрязненную воду, типичную для центральных систем отопления в России, по этой же причине они имеют низкое гидравлическое сопротивление. Толстые стенки и химические свойства чугуна придают радиаторам устойчивость к коррозии, что немаловажно в летний период, когда вода из системы отопления сливается, и радиатор остается ржаветь «на сухую». Чугунные радиаторы самые дешевые из своих собратьев, исключение составляют высокохудожественные изделия со сложным литьем. Цена на них на порядок выше.

Радиаторы различных конструкций изготавливают практически во всех странах, например в Англии (производитель: воШса) — в КНР (производитель: КО№®Я) — в Германии (производитель: С1ЖАТЕС) — в Италии (производитель: Коса) — в Турции (производитель: Бегтг Бокит) — в Белоруссии (производитель: Минск) — В Украине (производитель: Луганск) — в России (производители: Брянск, Чебоксары, Любохна, Н — Тагил). То есть имеется массовое производство однотипной продукции, как за рубежом, так и в России.

Радиатор состоит из отдельных чугунных секций, собранных на ниппелях с помощью колец «0-ринг» из термостойкой высококачественной резины вместо плоских резиновых прокладокэто повысило надежность и долговечность радиаторов в отношении герметичности, а также эксплуатацию их при использовании в качестве теплоносителя антифриза.

Преимущества чугунных радиаторов.

Благодаря своим физико-химическим свойствам чугун является непревзойденным материалом для производства отопительной техники и имеет следующие преимущества:

— долговечность и высокая коррозийная стойкость чугуна как конструкционного материала обеспечивает длительную эксплуатацию радиаторов (не менее 30 лет);

— набором определенного количества секций можно приспособить радиатор к конкретным условиям и достичь, таким образом, оптимальной тепловой мощности, радиатора;

— увеличенное сечение водных каналов обеспечивает более длительную эксплуатацию при отложении шлама;

— простой и дешевый ремонт: возможность замены вышедшей из строя одной или нескольких секций вместо целого радиатора.

Секции радиатора изготовлены из серого чугуна СЧ10 с пластинчатым графитом, ниппели изготовлены из ковкого чугуна ферритного класса КЧ 30−6ф (рис. В.1).

Рис. В.?.Радиаторный ниппель.

В свободной энциклопедии (Википедии) указывается, что радиаторный ниппель — специальный вид сантехнического ниппеля, имеющего с п двух торцов левую и правую трубную резьбу а— или 1 дюйма цилиндрическую по ГОСТ 6357–81, предназначенный для соединения отдельных секций в радиаторы отопления. Профиль резьбы стандартизован и представлен на рис. В.2. п.

Резьба ниппеля С1— имеет следующие размеры й = 41,910о, збо- ?2 = 40,413о, 360- *Хмакс =38,952- Р = 2,309- Н=2,217 774- Нх =1,478 515- Я=0,317 093. р

Рис. В.2. Профиль трубной резьбы по ГОСТ 6357–81: ^ — наружный диаметр наружной резьбы (трубы) — — внутренний диаметр наружной резьбы- (й2 — средний диаметр наружной резьбы- 2) — наружный диаметр внутренней резьбы (муфты) — В] — внутренний диаметр внутренней резьбыТ>2—средний диаметр внутренней резьбыР — шаг резьбыН—высота исходного треугольникаН}—рабочая высота профиляК — радиус закругления вершины и впадины резьбы.

В настоящее время ниппели изготавливаются из стали или чугуна, рап нее применялось только чугунное литьё. Стальные ниппели используются на различных радиаторах, за исключением радиатора МС-140М и МС-140М1. Герметизация секций осуществляется, как правило, подмоткой пакли, пропитанной смесью олифы и сурика. Поэтому к точности резьбы ниппеля не предъявляются высокие требования.

Массовый характер выпуска отопительных радиаторов и ещё больший масштаб выпуска ниппелей требуют разработки и применения высокопроизводительных процессов резьбоформирования. Резьбы на стальных деталях можно высокопроизводительно накатывать, тем более что в ниппелях не требуется высокая точность. Однако, как видно из рис. В.1, ниппель является полым изделием с пролитым отверстием сложной формы. Внутри отверстия имеются специальные перемычки для вращения ниппеля специальным ключом при сборке радиатора. Такая форма усложняет процесс пластического деформирования полой детали и делает накатку резьбы невыполнимой.

На чугунных заготовках накатка резьбы вообще не может осуществляться, несмотря на то, что чугун называется ковким. Наиболее применимым для данного случая можно считать способ одновременного фрезоточения нарезания правой и левой трубной резьбы, предложенный Скухторовым С. И. и Хлуновым В. Н в 1941 году, и развитый в дальнейших работах отечественных и зарубежных исследователей. Суть способа состоит в вырезании резьбовой впадины зубьями, расположенными на фрезе по винтовой поверхности, при согласованном синхронном вращении фрезы и заготовки и радиальной подаче сближения. При этом каждый зуб фрезы вырезает дуговую канавку, перемещаясь относительно тела заготовки по кривой второго порядка, а сама резьба образуется как огибающая множества дуговых канавок. В зависимости от направления винтовой поверхности фрезы получается правая или левая резьба на заготовке, что позволяет при разнонаправленных участках винтовой на фрезе получать за один технологический переход одновременно правую и левую резьбу на заготовке.

Однако до сих пор в перечисленных работах недоисследованными остаются обобщенные теоретические положения, комплексно представляющие описание процесса фрезоточения резьб и результата его воздействия на заготовку, что затрудняет создание рациональных конструкций инструмента и обоснование технологических режимов, а также сужает возможности выбора или проектирования оборудования для реализации способа.

Объектом исследования в диссертации является процесс фрезоточения разнонаправленных резьб одним инструментом за один переход.

Предметом исследования в диссертации является изучение закономерностей образования органических погрешностей процесса фрезоточения, вызываемых детерминированной дискретностью формообразования, разработка метода их объективного определения путем имитационного моделирования, и выработка на основе результатов моделирования рекомендаций для практики.

Задача разработки метода объективного определения органических погрешностей процесса фрезоточения резьб, является актуальной для машиностроения.

Работы выполнялись в соответствии тематикой госбюджетных НИР кафедры «Технология машиностроения» ТулГУ (тема № 05−06).

Целью настоящей работы является создание объективного метода определения органических погрешностей процесса фрезоточения резьб винтовыми фрезами при синхронном вращении фрезы и’заготовки и обоснование рациональных параметров фрезы, а также технологических параметров процесса фрезоточения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить комплексную задачу разработки обобщенных теоретических положений, представляющих описание процесса фрезоточения резьбы винтовым инструментом при одновременном согласованном вращении инструмента и заготовки, включающих имитационную модель процесса формообразования резьбыисследовать силовые и стойкостные характеристики, и на этой основе дать конструкторскотехнологические рекомендации по реализации процесса.

Решение этой комплексной задачи потребовало решения следующих частных задач:

1. Достоверно определить достижимую точность и органические погрешности профиля резьбы, получаемой фрезоточением, для. чего разработать имитационную модель процесса фрезоточения резьбы при параллельных осях заготовки и фрезы на базе графических систем, включающих 3-х мерные геометрические модели эталонной резьбы и поверхности резьбы, полу.

10 ченной фрезоточением, траектории перемещения зуба фрезы относительно тела заготовки для трех применимых схем фрезоточения резьбы.

2. Провести имитационное моделирование процесса фрезоточения для определения численных значений образующихся погрешностей профиля при различных сочетаниях параметров инструмента и его установки, и определить приемлемые варианты параметров инструмента и его установки.

3. Определить относительные стойкостные характеристики фрезоточения по сравнению с наиболее распространенными способами резьбонареза-ния и найти рациональную область применения фрезоточения резьбы.

4. Найти зависимости для определения составляющих силы резания при фрезоточении резьбы от параметров процесса, а также минимально допустимую толщину срезаемого слоя и соответствующие ей силы резания.

5. Обосновать конструкторско — технологические рекомендации для рационального применения фрезоточения.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания, теории формообразования производящих поверхностей режущих инструментов для обработки резьбовых деталей, методов математического моделирования. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедр «Технология машиностроения» и «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ, с использованием промышленного и исследовательского оборудования и метрологического обеспечения. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием методов математической статистики.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и современных методов имитационного моделирования при помощи системы Компас ЗБ, а также использованием аттестованного измерительного оборудования с соблюдением рекомендуемой процедуры проведения эксперимента и статистической обработки результатов.

Автор защищает: I.

1. Аналитические зависимости, описывающие траектории перемещения I зуба фрезы относительно тела заготовки для трех применимых схем фрезото-чения резьбы.

2. Имитационную модель процесса фрезоточения резьбы при параллельных осях заготовки и фрезы на базе графических систем, включающих 3-х мерные геометрические модели эталонной резьбы и поверхности резьбы, полученной фрезоточением.

3. Структурно-функциональную модель процесса выбора схемы обраI ботки при фрезоточении.

4. Результаты имитационного моделирования процесса фрезоточения, в том числе:

— найденные численные значения погрешностей профиля, образующихся при различных сочетаниях схемы обработки и параметров инструмента;

— сопоставление погрешностей профиля с допусками при помощи выведенной аналитической зависимости для расчета диаметральной компенсации погрешностей профиля резьбы;

— рекомендуемые варианты параметров инструмента для трех возможных схем фрезоточения резьбы.

5. Экспериментальное подтверждение более высокого ресурса инструмента при фрезоточении по сравнению с резьботочением и резьбофрезерова-нием. 1.

6. Зависимости для г определения составляющих силы резания при фрезоточении резьбы от параметров процесса, а также минимально допустимую толщину срезаемого слоя и соответствующие ей силы резания.

7. Конструкторско — технологические рекомендации для рационального применения фрезоточения в области компоновок оборудованияпараметров инструмента и режимов резания и результаты промышленной апробации.

Научная новизна.

Разработана имитационная модель процесса фрезоточения резьбы и ее математическое обеспечение, установлена взаимосвязь конструктивно — тех-• нологических параметров процесса (схема обработки, диаметр и количество зубьев на фрезе) и органических погрешностей формообразования поверхности резьбы, при помощи которой обоснованы рациональные сочетания параметров процесса и инструмента, а также технологические параметры процесса фрезоточения (стойкостные и силовые характеристики, рекомендации по компоновке оборудования, режимам и потребляемой мощности резания).

Практическая значимость и реализация результатов работы:

Использование разработанного алгоритма имитационного моделирования процесса фрезоточения резьбы позволяет объективно описывать процесс профилирования резьбы и образования погрешностей её профиля, которые могут быть оценены качественно и определены количественно. Найдены области рационального применения фрезоточения для нарезания трубной резьп 1 бы (71—: по схеме наружного касания фрезы с заготовкой (схема 1.1) рекомендовано применять фрезы диаметром 90 мм, с число зубьев — 28- по схеме охватывающего касания (схема 2.2) фрезы диаметром 100 мм с числом зубьев-18.

Найденные силовые зависимости в совокупности с результатами моделирования позволили определить минимальную мощность на шпинделях заготовки и фрезы.

Результаты работы приняты к использованию в ООО «Болоховский завод строительных конструкций» для нарезания резьбы на радиаторных ниппелях, поставляемых на запчасти, а также в учебном процессе на кафедрах «Инструментальные и метрологические системы» и «Технология машиностроения» ТулГУ.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих совещаниях, семинарах и научно-технических конференциях: Всероссийской НТК «Новые материалы и технологии НМТ-2008». Москва, 11−12 ноября 2008 г.- МНТК «АПИР-15», 10−12 ноября 2010 г. (г. Тула) — Интернет — НТК «Технологическая системотехника», Тула, 2010 г.- На IV и V молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» — а также на ежегодных НТК преподавателей ТулГУ 2009;2011 г. г.

По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 в изданиях, включенных в перечень ВАК, из них без соавторов-3.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, заключения, списка использованных источников из 119 наименований, 4 приложений, общим объемом 205 е., включая 99 иллюстраций, 18 табл.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Имитационная модель процесса фрезоточения резьбы на базе графических систем, включающих 3-х мерные геометрические модели эталонной резьбы и поверхности резьбы, полученной фрезоточением, траектории перемещения зуба фрезы относительно тела заготовки для трех применимых схем фрезоточения резьбы, позволяет объективно исследовать органические погрешности фрезоточения и находить их численные значения.

2. Имитационная модель процесса фрезоточения резьбы и ее программная реализация позволили провести моделирование и по его результатам определить рациональные параметры винтовых фрез. В частности покап зано, что для фрезоточения наружной резьбы целесообразно применять фрезы диаметром 100 мм при числе зубьев 28.

3. При найденных параметрах фрезы органические погрешности нарезанной резьбы имеют следующие значения:

— огранка по дну впадины 0,07 мм,.

— недорез по боковой стороне профиля 0,01 мм,.

— зарез по боковой стороне профиля 0,03 мм.

4. Формула, выведенная для расчета диаметральной компенсации погрешностей в виде недорезов или зарезов профиля, показывает, что диаметральная компенсация полученных органических погрешностей профиля резьбы составляет 0,0873 мм, что вполне приемлемо при полном допуске приведенного среднего диаметра резьбы = 0.36 мм.

5. Показано, что для нарезания наружных резьб предпочтительнее использовать схему с внешним касанием фрезы и заготовки, так как диаметр

182 расположения вершин зубьев 100 мм для охватывающей фрезы предполагает её наружный диаметр порядка 200 мм. Такая фреза имеет большую металлоемкость и низкую технологичность, что увеличивает её стоимость при отсутствии каких либо эксплуатационных преимуществ. н.

6. Определено, что при фрезоточении внутренней резьбы 01— наи4 меньшие значения органических погрешностей фрезоточения получаются при диаметре фрезы 24 мм и 10 зубьях. Однако численное значение диаметральной компенсации органических погрешностей профиля резьбы составляет 0,233 мм, и вопрос о приемлемости таких погрешностей нужно решать с конструктором изделий, исходя из функционального назначения детали.

7. Эксперименты подтвердили выводы Воронова В. Н. о том, что ресурс работы инструмента, выраженный количеством деталей за период его стойкости, при фрезоточении одной и той же резьбы на 2 порядка выше, чем при многопроходном резьботочении.

8. Полученные эмпирические зависимости составляющих сил резания от глубины резания, радиальной подачи, материала режущей части фрезы, твердости обрабатываемого материала показывают, что наибольшее влияние на силы резания оказывают глубина резания и радиальная подача.

9. Расчеты показали, что использование неравномерной подачи при реализации равноплощадной схемы вырезания впадины по разработанной методике и программы для определения подач на каждом обороте заготовки позволяют нарезать полный профиль резьбы за 11 оборотов заготовки и фрезы вместо 21,12 оборотов при равнопроходной схеме.

10. Расчеты, проведенные по найденным эмпирическим формулам, показали, что, при изменении скорости подачи по закону равноплощадной схемы, площадь срезаемого слоя стабилизируется, и нагрузка на инструмент плавно возрастает по мере его врезания в заготовку, что улучшает динамику работы станка.

11. Сравнение машинного времени одновременного фрезоточения разнонаправленных резьб на радиаторных ниппелях и времени нарезания этих резьб точением методом последовательных проходов показало 20- кратное преимущество фрезоточения.

Даны рекомендации по выбору типа инструмента и компоновки оборудования для фрезоточения резьбы. Результаты работы приняты к использованию в ООО «Болоховский завод строительных конструкций» для нарезания резьбы на радиаторных ниппелях, поставляемых на запчасти, а также в учебном процессе на кафедрах «Инструментальные и метрологические системы» и «Технология машиностроения» ТулГУ.